Una nueva búsqueda de materia oscura tiene lugar debajo de la montaña.

David D'Angelo no siempre estuvo interesado en la materia oscura, pero ahora ha llegado a la vanguardia de la búsqueda de la partícula más esquiva del universo.

Alrededor de una hora en automóvil desde Roma, hay un denso grupo de montañas llamado Gran Sasso d'Italia . Son famosos por su belleza natural y atraen a turistas durante todo el año, ya que ofrecen estaciones de esquí de primer nivel y rutas de senderismo en invierno, así como la oportunidad de nadar en verano. Para el físico italiano de 43 años David D'Angelo, estas montañas son como un segundo hogar. A diferencia de la mayoría de los visitantes de Gran Sasso, D'Angelo pasa la mayor parte de su tiempo debajo de las montañas, no en ellas.

Allí, en un espacio cavernoso a miles de metros debajo de la superficie de la tierra, D'Angelo está trabajando en una nueva generación de experimentos dedicados a la búsqueda de partículas de materia oscura, una forma exótica de materia cuya existencia se ha supuesto durante varias décadas, pero aún no se ha probado experimentalmente.

Se cree que la materia oscura constituye el 27% del Universo, y la descripción de esta esquiva sustancia es uno de los problemas más agudos de la física moderna. Aunque D'Angelo cree optimistamente que ocurrirá un gran avance durante su vida, la generación anterior de físicos pensaba de la misma manera. En principio, hay buenas posibilidades de que las partículas buscadas por D'Angelo no existan en absoluto. Sin embargo, para los físicos que investigan la naturaleza fundamental del Universo, la oportunidad de seguir una carrera completa en la "caza de fantasmas", como dice D'Angelo, es el precio de avanzar en la ciencia.

¿Qué hay debajo de la "gran piedra"?

En 1989, el Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear abrió el Laboratorio Nacional en Gran Sasso , el laboratorio subterráneo más grande del mundo dedicado a la astrofísica. Tres cuevas subterráneas que abundan en Gran Sasso fueron construidas especialmente para físicos, un entorno bastante elegante para un centro de investigación. La mayoría de los laboratorios astrofísicos subterráneos, como SNOLAB , organizan espontáneamente el uso de minas viejas u operativas, y este hecho limita la cantidad de tiempo que puede pasar en el laboratorio y los tipos de equipos utilizados.

Gran Sasso, ubicado a un kilómetro bajo tierra para protegerlo de los ruidosos rayos cósmicos que bañan el planeta, albergó varios experimentos en física de partículas, probando los cimientos del universo. En los últimos años, D'Angelo ha compartido su gráfico entre el Observatorio Borexino y el Yoduro de sodio con Experimento de rechazo de fondo activo ( SABRE ), que estudia neutrinos solares y materia oscura, respectivamente.


D'Angelo con un prototipo SABRE en funcionamiento

En los últimos 100 años, la descripción de los neutrinos solares y la materia oscura se consideran las tareas más importantes de la física de partículas. Hoy, el misterio de los neutrinos solares se ha resuelto, pero estas partículas siguen siendo extremadamente interesantes para los físicos, porque brindan mucha información sobre la fusión nuclear que ocurre en nuestro Sol y otras estrellas. Pero la composición de la materia oscura todavía se considera uno de los mayores problemas de la física nuclear. A pesar de la naturaleza completamente diferente de estas partículas, las preguntas de su estudio aún están relacionadas, ya que estas partículas solo pueden detectarse en condiciones de radiación de fondo mínima: en miles de metros bajo tierra.

"Las montañas funcionan como un escudo, así que si estás debajo de ellas, experimentarás el llamado" silencio cósmico ", dijo D'Angelo. "Esta es la parte más favorita de mi investigación: entras en la cueva, comienzas a trabajar con el detector y tratas de entender las señales que ves".

Después de graduarse, D'Angelo consiguió un trabajo en el Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear, donde su investigación se centró en neutrinos solares, partículas subatómicas sin carga, como resultado de la fusión nuclear en el sol. Durante la mayor parte de cuatro décadas, los neutrinos solares han estado en el centro de uno de los mayores misterios de la astrofísica. El problema era que los instrumentos que medían la energía de los neutrinos solares producían resultados mucho menores que los pronosticados por el Modelo Estándar , la teoría más precisa de las partículas fundamentales en física.

Dada la precisión del modelo estándar en otros aspectos de la cosmología, los físicos no querían hacer cambios en él para explicar esta discrepancia. Una posible explicación fue que los físicos inventaron el modelo equivocado del Sol, y que era necesario realizar mediciones mejoradas de presión y temperatura en su núcleo. Sin embargo, después de una serie de observaciones en los años 60 y 70, resultó que, en general, los modelos del Sol estaban compuestos correctamente, y luego los físicos recurrieron al neutrino para obtener explicaciones alternativas.

El cuento de tres neutrinos

Desde que el físico austriaco Wolfgang Pauli propuso por primera vez la existencia de neutrinos en la década de 1930, se han sentido constantemente atraídos para tapar agujeros en las teorías. En el caso de Pauli, la suposición de la existencia de partículas extremadamente ligeras sin carga fue un "medio desesperado" para explicar por qué la ley de conservación de la energía no funciona durante la desintegración radiactiva. Tres años después, el físico italiano Enrico Fermi le dio un nombre a estas hipotéticas partículas. Los llamó " neutrinos " , que en italiano significa "pequeños neutrones".

Un cuarto de siglo después de la suposición de Pauli, dos físicos estadounidenses informaron la primera evidencia de neutrinos en un reactor nuclear. Al año siguiente, 1957, Bruno Maksimovich Pontecorvo , físico de ascendencia italiana que trabajó en la URSS, desarrolló la teoría de las oscilaciones de neutrinos . En ese momento, las propiedades de los neutrinos estaban poco estudiadas, y Pontecorvo sugirió que hay varios tipos de neutrinos. En este caso, sugirió, era posible que los neutrinos pudieran cambiar sus tipos.

Para 1975, la teoría de Pontecorvo estaba probada. Se descubrieron tres tipos diferentes o "aromas" de neutrinos: electrón, muón y tau. También es importante que las observaciones en un experimento en Dakota del Sur mostraron que el sol produce neutrinos electrónicos. El único problema fue que se detectaron menos neutrinos en el experimento de lo que predijo el Modelo Estándar.

Hasta finales de los 90, había poca evidencia de que los neutrinos pudieran pasar de un sabor a otro. En 1998, un grupo de investigadores que trabajaban en el Observatorio Super Kamiokande en Japón observó oscilaciones atmosféricas de neutrinos, derivadas principalmente de interacciones de fotones con la atmósfera de la Tierra. Tres años después, se obtuvo la primera evidencia directa de oscilaciones de neutrinos solares en el Observatorio Canadiense de Sudbury (SNO).

Esto, por decirlo suavemente, se ha convertido en un evento importante en cosmología. El misterio de los neutrinos solares desaparecidos, o por qué se observó aproximadamente un tercio de los neutrinos que volaban desde el Sol en los experimentos, se comparó con las predicciones del Modelo Estándar. Si los neutrinos pueden oscilar, cambiando el aroma, entonces los neutrinos emitidos por el núcleo del Sol ya pueden ser de diferentes tipos para cuando lleguen a la Tierra. Hasta mediados de los años 80, en la mayoría de los experimentos en la Tierra, solo se buscaban neutrinos electrónicos, lo que significa que se perdieron otros dos sabores que aparecen en el camino del Sol a la Tierra.

Cuando SNO fue concebido en los años 80, fue diseñado para que pudiera detectar los tres tipos de neutrinos, no solo los electrónicos. Y esta decisión valió la pena. En 2015, los directores de experimentos de Super-Kamiokande y SNO compartieron el Premio Nobel de física por resolver el misterio de la falta de neutrinos solares.


Detector en Boreksino

Aunque se ha resuelto el misterio de los neutrinos solares, queda mucho por hacer en la ciencia para comprenderlos mejor. Desde 2007, el Observatorio Borexino en Gran Sasso ha mejorado la medición de las vibraciones de los neutrinos solares, brindando a los físicos información sin precedentes sobre la fusión nuclear que alimenta al Sol. En el exterior, el observatorio parece una enorme esfera de metal, y en el interior parece una tecnología que proviene de otro planeta.

En el centro de la esfera hay, de hecho, una enorme bolsa de nylon transparente con un diámetro de 10 my un grosor de medio milímetro. La bolsa contiene un centelleador líquido, una mezcla química que libera energía cuando un neutrino lo atraviesa. Esta esfera de nylon está suspendida en mil toneladas de líquido tampón purificado y está rodeada por 2200 sensores capaces de detectar la energía emitida por los electrones, que se libera cuando el neutrino interactúa con un centelleador líquido. Hay otro tampón, que consta de 3.000 toneladas de agua ultrapura, que proporciona protección adicional para el detector. Todo esto en conjunto proporciona la mayor protección del observatorio contra la radiación ambiental entre todos los centelleadores líquidos en el mundo.

En la última década, los físicos de Borexino, incluido D'Angelo, que se unió al proyecto en 2011, han estado utilizando este dispositivo único para observar neutrinos solares de baja energía generados por colisiones de protones durante la fusión nuclear en el núcleo solar. Dado lo difícil que es detectar estas partículas ultraligeras sin carga, que apenas interactúan con la materia, sería prácticamente imposible detectar neutrinos solares de baja energía sin una máquina tan sensible. Cuando SNO detectó directamente las primeras oscilaciones de los neutrinos solares, solo pudo observar los neutrinos solares más enérgicos debido a la interferencia de la radiación de fondo. Y esto representaba solo alrededor del 0.01% de los neutrinos emitidos por el Sol. La sensibilidad de Boreksino le permite observar los neutrinos solares con energía en un orden de magnitud inferior a los encontrados por SNO, lo que abre la posibilidad de crear un modelo increíblemente refinado de procesos solares y fenómenos más exóticos como las supernovas.

"Los físicos tardaron 40 años en descubrir los neutrinos solares, y ese fue uno de los misterios más interesantes de la física de partículas", me dijo D'Angelo. "Algo así como lo que es la materia oscura ahora".

Arrojando luz sobre la materia oscura

Si los neutrinos eran una partícula misteriosa del siglo XX, entonces la materia oscura es un enigma de nuestro tiempo. De la misma manera que Pauli propuso los neutrinos como un medio desesperado para explicar por qué los experimentos parecen violar una de las leyes más fundamentales de la naturaleza, se sugirió la existencia de partículas de materia oscura, ya que las observaciones cosmológicas no convergen.

A principios de la década de 1930, el astrónomo estadounidense Fritz Zwicky estudió los movimientos de varias galaxias en el Veronica Hair Cluster, una colección de más de 1000 galaxias ubicadas a unos 320 millones de años luz de la Tierra. Usando los datos publicados por Edwin Hubble , Zwicky calculó la masa de todo el cúmulo galáctico de Veronica's Hair. Cuando terminó, descubrió algo extraño en la dispersión de las velocidades de las galaxias (la distribución estadística de las velocidades de un grupo de objetos): la distribución de las velocidades fue 12 veces mayor que el valor calculado en función de la cantidad de materia.


En el laboratorio de Gran Sasso

Fue un cálculo inesperado y su importancia no escapó a Zwicky. "Si esto se confirma ", escribió , "obtendremos un resultado sorprendente, según el cual habrá mucha más materia oscura que luminosa".

La idea de que el Universo consiste principalmente en materia invisible parecía radical en la época de Zwicky, sigue siéndolo hoy. Sin embargo, la principal diferencia es que los astrónomos de hoy tienen mucha más evidencia empírica que apunta a su existencia. En su mayor parte, esto se puede atribuir a Vera Rubin , un astrónomo estadounidense cuyas mediciones de la rotación de galaxias en los años sesenta y setenta eliminaron todas las dudas sobre la existencia de materia oscura. Según las mediciones de Rubin y las observaciones posteriores, los físicos creen que la materia oscura constituye aproximadamente el 27% de toda la materia en el universo, aproximadamente siete veces más que la materia bariónica común que conocemos. La pregunta principal es ¿en qué consiste?

Desde las observaciones pioneras, Rubin ya ha ofrecido muchos candidatos para el título de partículas de materia oscura, pero hasta ahora todos han evitado su detección incluso por los instrumentos más sensibles del mundo. En parte porque los físicos no están muy seguros de lo que están buscando. Una pequeña parte de los físicos generalmente cree que la materia oscura puede no ser partículas, pero puede ser un efecto gravitacional exótico. Esto hace que el diseño del experimento sea similar a la búsqueda de un automóvil en un estacionamiento cerca de un estadio en el que recientemente encontraron llaves adecuadas. Existe la posibilidad de que el automóvil esté en el estacionamiento, pero debe cruzar muchas puertas hasta que lo encuentre, si es que está allí.

Entre los candidatos a la materia oscura hay partículas subatómicas con nombres estúpidos como axiones , gravitino , halo compacto astrofísico masivo (MACHO) y partículas masivas de interacción débil (WIMP). D'Angelo con colegas de Gran Sasso se puso WIMP, que hasta hace poco se consideraban los principales candidatos para la energía oscura.

Sin embargo, en los últimos años, los físicos han comenzado a buscar otras posibilidades, después de que algunas pruebas críticas no pudieron confirmar la existencia de WIMP. WIMP es una clase de partículas elementales hipotéticas que prácticamente no interactúan con la materia bariónica ordinaria y no emiten luz, lo que las hace extremadamente difíciles de detectar. Este problema se agrava por el hecho de que nadie está seguro exactamente de cómo se ven los WIMP. No hace falta decir que es muy difícil encontrar algo si ni siquiera está seguro de lo que está buscando exactamente.

Entonces, ¿por qué los físicos creen que los WIMP existen? En la década de 1970, los físicos concibieron el Modelo Estándar de física de partículas, que afirmaba que todo en el universo consiste en un pequeño conjunto de partículas fundamentales. El Modelo Estándar explica perfectamente casi todo lo que el Universo puede darle, pero aún está incompleto porque la gravedad no está incluida. En la década de 1980, apareció una expansión de SM bajo el nombre de supersimetría , según la cual cada partícula fundamental de SM debería tener un compañero. Estos pares se conocen como partículas supersimétricas, y se usan en explicaciones teóricas de varios acertijos de física SM, por ejemplo, la masa del bosón de Higgs y la existencia de materia oscura. Algunos de los experimentos más complejos y costosos del mundo, como el Gran Colisionador de Hadrones, se crearon en un intento de descubrir estos socios supersimétricos, pero hasta ahora no se ha recibido evidencia experimental de su existencia.

Muchas de las partículas más ligeras propuestas en el modelo supersimétrico son WIMP, y tienen nombres como gravitino, sneytrino y neutralino. Muchos físicos todavía consideran que el último de ellos es el candidato principal para la materia oscura, y creen que en el Universo temprano se formó en grandes cantidades. Encontrar evidencia de la presencia de esta antigua partícula teórica es el objetivo de muchos experimentos con TM, incluido el que D'Angelo está trabajando en Gran Sasso.

D'Angelo me dijo que se interesó por la materia oscura unos años después de unirse al laboratorio Gran Sasso y comenzó a contribuir al experimento DarkSide , que parecía ser una continuación natural de su trabajo en neutrinos solares. DarkSide, de hecho, es un enorme tanque lleno de argón líquido y equipado con sensores increíblemente sensibles. Si existen WIMP, los físicos creen que podrán detectarlos debido a la ionización, que aparece debido a su interacción con los núcleos de argón.

DarkSide ha estado yendo a Gran Sasso desde 2013, y D'Angelo dijo que continuará por varios años más. Sin embargo, ahora se ha involucrado en otro experimento con TM en Gran Sasso llamado SABRE , que también está buscando evidencia directa de la presencia de partículas TM basadas en la luz que aparece cuando se libera energía como resultado de sus colisiones con cristales de yoduro de sodio.

El dispositivo de experimento SABRE está hecho específicamente para parecerse a otro experimento que ha estado yendo a Gran Sasso desde 1995, bajo el nombre de DAMA. En 2003, el experimento DAMA comenzó a buscar fluctuaciones estacionales de partículas de materia oscura predichas en la década de 1980 como consecuencia del movimiento de la Tierra y el Sol en relación con el resto de la galaxia. La teoría decía que la velocidad relativa de cualquier partícula de materia oscura encontrada en la Tierra debería alcanzar un máximo en junio y un mínimo en diciembre.


David D'Angelo

Durante casi 15 años, DAMA ha registrado fluctuaciones estacionales en los detectores que son consistentes con la teoría y con la firma esperada de partículas TM. Parecía que DAMA fue el primer experimento en el mundo en descubrir una partícula de materia oscura. Pero el problema era que DAMA no podía excluir por completo la posibilidad de que la firma que encontró estuviera relacionada con alguna otra fluctuación estacional de la Tierra, y no con cambios en el flujo de materia oscura asociada con el movimiento de la Tierra alrededor del Sol.

SABRE debería eliminar la ambigüedad en los datos de DAMA. Una vez que se eliminen todos los defectos en el equipo, el experimento en Gran Sasso se convertirá en medio SABRE. La otra mitad se ubicará en Australia, en la antigua mina de oro. La presencia de laboratorios en los hemisferios norte y sur debería ayudar a eliminar todos los falsos positivos asociados con las fluctuaciones estacionales normales. SABRE , .

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