La búsqueda de las partículas responsables de la materia oscura en el universo es apasionante. Aunque algunas voces gritan que nunca serán encontradas, lo cierto es que solo buscamos con ahínco en un pequeño rango de masas. Hace diez años yo era más optimista, pero ahora me temo que faltan muchas décadas de búsqueda, lo que no quita un ápice de fascinación. Los detectores de xenón líquido pueden usar la energía de retroceso de los núcleos para buscar en el rango de masas entre 10 GeV/c² y 10 TeV/c², y la de los electrones para buscar en el rango entre 1 keV/c² y 1 MeV/c². Se han publicado en Physical Review Letters los últimos resultados de XENONnT y PandaX-4T en esta última búsqueda. Como ya te conté (LCMF, 23 Jul 2022), XENONnT descarta el exceso observado por XENON1T entre 1 y 7 keV/c² en 2020. En rigor no hay nada nuevo, pero me ha gustado esta figura que resume los resultados de los tres líderes de la búsqueda con xenón líquido entre 1 y 20 eV/c², XENON (Gran Sassso, Italia), PandaX (Jinping, China) y LUX-ZEPLIN (Sanford, Dakota del Sur, EEUU). Hace solo cinco años una figura como esta rayaba la utopía. El progreso técnico necesario para reducir el ruido de fondo hasta niveles que permitan obtenerla ha sido el resultado de la portentosa imaginación de las nuevas generaciones de físicos.
Te recuerdo que la idea de la búsqueda directa es observar la colisión de una partícula de materia oscura contra los átomos de un blanco; un tanque relleno de xenón líquido en estos detectores. La colisión puede ser contra un protón o un neutrón de un núcleo atómico, o contra un electrón al que esté ligado. El retroceso en ambos casos genera electrones y fotones que son observados mediante fotomultiplicadores. Estos detectores se concibieron en la década de los 1980, pero no fueron una realidad hasta este siglo. Para que sean efectivos hay que usar xenón líquido de altísima pureza; por ejemplo, unos pocos átomos de tritio podrían dar lugar a una señal espuria (como la que observó XENON1T). Además, se requiere un modelado muy preciso de todos los sucesos de fondo esperados. Las técnicas de purificación y análisis necesarias para lograrlo tienen gran número de aplicaciones potenciales en la industria. El desarrollo de detectores de impurezas ultrasensibles va mucho más allá de sus aplicaciones en física fundamental experimental. La ciencia básica es uno de los motores más poderosos del progreso industrial.
La figura es de Matteo Rini, «Potential Dark Matter Signal Gives Way to New Limits,» APS Physics 15: 159 (13 Oct 2022) [web]. Los nuevos artículos son XENON Collaboration, «Search for new physics in electronic recoil data from XENONnT,» Physical Review Letters 129: 161805 (13 Oct 2022), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.161805, arXiv:2207.11330 [hep-ex] (22 Jul 2022), y PandaX Collaboration, «Search for light fermionic dark matter absorption on electrons in PandaX-4T,» Physical Review Letters 129: 161804 (13 Oct 2022), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.161804, arXiv:2206.02339 [hep-ex] (06 Jun 2022).
Ya he contado muchas veces cómo funcionan este tipo de detectores y otros detalles de los análisis realizados (busca en mi blog si te interesan estos temas). Hoy me limitaré a destacar que los detectores de xenón líquido se están usando para la búsqueda directa más allá de las partículas de tipo WIMP. Recuerda que las WIMPs son partículas de materia oscura con una masa en la escala de la masa de los átomos que interaccionan con el modelo estándar con un acoplamiento similar al de la interacción débil. Sin embargo, como muestra esta figura del artículo de XENONnT el estudio del retroceso de electrones permite buscar partículas de baja masa, como axiones, partículas tipo axión (ALPs), fotones oscuros y neutrinos estériles; obviamente, todos ellos en el rango de masas explorado, que para XENONnT está entre 1 y 140 keV/c². Para estas partículas se combinan las búsquedas con otros experimentos junto con los límites astrofísicos (basadas en la física de las estrellas y de los cúmulos globulares, que son agrupaciones de estrellas).
Ahora mismo nadie espera que los detectores de xenón líquido puedan observar una señal para estas partículas (que hace cinco años estaban fuera de sus objetivos de búsqueda); ni siquiera que puedan lograr límites de exclusión mejores que los límites astrofísicos actuales. Sin embargo, estos límites se están empezando a publicar ahora y quizás dentro de unos diez años serán mucho más estrictos que los límites astrofísicos; obviamente estos últimos también mejorarán, pero se espera que lo hagan a un ritmo más lento. Lo que ahora es un trabajo pionero en una década será el trabajo de referencia. Más aún, sería una sorpresa mayúscula que, por un retruque de la historia de la ciencia, los detectores diseñados para buscar las WIMP fueran los primeros en observar las partículas de materia oscura con otra naturaleza.