Los detectores de materia oscura ahora son sensibles a las interacciones con los neutrinos solares

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Para vivir felices, vivamos escondidos. Este dicho también se aplica a los experimentos de detección de materia oscura. Estos detectores suelen instalarse en laboratorios subterráneos a varios cientos de metros o kilómetros bajo la superficie. El espesor de la roca bloquea la mayor parte de la radiación cósmica que perturbaría las mediciones. Pero hay un flujo de partículas que ni siquiera el mejor blindaje puede detener: los neutrinos. Durante mucho tiempo, los experimentos no tuvieron la sensibilidad suficiente para detectar esta “niebla de neutrinos”. Pero dos de los detectores más sensibles hasta la fecha, PandaX-4Ten China, y XENÓNen Italia, acaban de anunciar que, por primera vez, han atravesado esta niebla.

La materia oscura sigue siendo uno de los mayores enigmas de la cosmología. Se ha postulado su existencia para explicar varias observaciones, como la velocidad de rotación anormalmente alta de las galaxias espirales y la formación de grandes estructuras en el Universo (galaxias y cúmulos de galaxias). Su naturaleza sigue siendo oscura. Entre decenas de candidatos, la hipótesis de los “débiles” (partícula masiva que interactúa débilmente) es uno de los más estudiados. Predice que, desde un punto de vista experimental, estas partículas deberían tener la ventaja de interactuar débilmente con la materia, lo que permite imaginar experimentos para comprobar su existencia. La posibilidad de detectar débiles depende de dos parámetros desconocidos, la masa del débil y la sección transversal, es decir, la probabilidad de interacción con un núcleo atómico.

En veinticinco años, la sensibilidad de los experimentos ha mejorado en varios órdenes de magnitud. Pero, si no se ha revelado ningún rastro de materia oscura, los instrumentos ahora son capaces de observar un fenómeno poco común: la difusión elástica coherente entre neutrinos y núcleos (CEvNS, por sus siglas en inglés). dispersión elástica coherente del núcleo de neutrinos). El término “coherente” aquí significa que el neutrino interactúa con el núcleo en su conjunto y no con uno de los protones o neutrones que lo componen. Este proceso se detectó por primera vez en 2017 en un experimento en un acelerador de partículas en el laboratorio estadounidense Oak Ridge.

Los neutrinos interactúan muy débilmente con la materia, pero el Sol produce un flujo colosal de ellos: en la Tierra nos cruzan aproximadamente 64 mil millones de neutrinos por segundo y por centímetro cuadrado. Para que te hagas una idea, de todos los neutrinos que pasan por tu cuerpo, sólo uno por semana interactúa con uno de tus átomos. Para medir un efecto tan pequeño, experimentos como PandaX-4T y XENÓN Están equipados con tanques llenos de varias toneladas de xenón líquido y rodeados por una miríada de detectores ultrasensibles.

el equipo de XENÓN analizó 300 días de datos (recopilados entre 2021 y 2023). “Gracias a un algoritmo de inteligencia artificial, identificamos 37 eventos prometedores”, explica Luca Scotto Lavina, del LPNHE (Laboratorio de Física Nuclear y Altas Energías), en París. “Luego determinamos que, de estos, 26 se deben al ruido de fondo, mientras que los otros 11 probablemente sean CEvNS. » Más precisamente, basándose en la energía y el número de estos eventos, los físicos sugieren que fueron causados ​​por neutrinos producidos durante la desintegración beta del boro-8. Este último se forma durante reacciones de fusión en el corazón del Sol. Los resultados de PandaX-4T confirmar los de XENÓN. El equipo chino consigue más eventos, pero a costa de más ruido de fondo.

Desde un punto de vista estadístico, estos resultados aún no alcanzan (apenas) el umbral “tres sigma” (lo que corresponde a menos del 0,3% de riesgo de que este resultado se deba a una fluctuación estadística en el ruido de fondo). Sin embargo, al tratarse de un fenómeno predicho por la teoría, los investigadores confían en la realidad de su descubrimiento.

Este avance plantea una pregunta crucial. Cuando un neutrino interactúa con un núcleo atómico, hace que este último retroceda levemente. Este movimiento es detectado por los instrumentos del experimento. Sin embargo, este es el mismo tipo de retroceso que esperamos cuando un débil golpea un núcleo de xenón. Por lo tanto, si la materia oscura está compuesta de débiles y sus interacciones con la materia son más raras que las de los neutrinos, ¿no corren estos eventos el riesgo de quedar ahogados en la niebla de los neutrinos? Los especialistas temían desde hace mucho tiempo que esta situación hiciera imposible la futura detección de materia oscura. Pero dos factores pueden ayudar a los investigadores a lograrlo. En primer lugar, los espectros de energía de los débiles y los neutrinos podrían ser diferentes, pero no es seguro que esta diferencia sea suficiente para ser explotable. La otra solución es quizás más interesante. “Los débiles que estamos rastreando pertenecen a un halo que abarca toda la Vía Láctea”, explica Luca Scotto Lavina. A medida que el Sol se mueve a través de la Vía Láctea, este movimiento induce una forma de “viento” de materia oscura con una dirección específica. Este flujo de débiles, en el detector, es luego modulado por el movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Es máximo en junio, cuando la Tierra se mueve en la misma dirección que el Sol (y mínimo en diciembre, cuando la Tierra se mueve en la dirección opuesta). Para los neutrinos, el flujo es máximo cuando la Tierra está más cerca del Sol, es decir, en enero. Estas dos modulaciones se compensan con seis meses, diferencia que debería ser mensurable. »

Pero si los físicos quieren seguir aumentando la sensibilidad y sumergirse en la niebla de neutrinos, será imprescindible encontrar otra solución: diseñar detectores capaces de determinar la dirección inicial de las partículas antes de la colisión. Por tanto, la idea sería poder decir si la dirección de la partícula corresponde a la del viento débil o al flujo solar de neutrinos. las experiencias PandaX-4T y XENÓN No se puede medir esta información. “Por el momento se están explorando diferentes técnicas que determinan la dirección de la partícula, pero ninguna puede alcanzar la sensibilidad necesaria para detectar neutrinos”, subraya Luca Scotto Lavina. Será necesario un importante trabajo de desarrollo para la próxima generación de detectores, si no queremos perdernos en la niebla…

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