Técnicas de bajo fondo en busca de materia oscura

La materia oscura está compuesta por partículas que no pueden ser observadas directamente ya que no emiten, absorben ni reflejan luz. La existencia de la materia oscura solamente ha sido probada mediante observaciones indirectas, como su efecto gravitatorio sobre la materia ordinaria. Dos hipotéticas partículas podrían resolver de manera independiente el problema de la materia oscura: los axiones y los WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Los WIMP son partículas relativamente masivas que aparecen en modelos teóricos de supersimetría. Los axiones surgen en modelos teóricos que estudian nuevas simetrías de la física, siendo partículas ligeras que apenas interaccionan con la materia.

Los aspectos más innovadores del proyecto Lobres son la creación de nuevos diseños de detectores micromegas para mejorar el umbral de detección, así como el desarrollo de una electrónica radiopura para la disminución del fondo. Este proyecto se enmarca dentro de las actividades del CAPA de la Universidad de Zaragoza y más concretamente en el grupo de Física Nuclear y Astropartículas y sus líneas de investigación para los experimentos IAXO y TREX-DM, con el objetivo de mejorar su potencial para el descubrimiento de axiones y WIMP.

IAXO (International Axion Observatory) es una colaboración internacional formada por 16 institutos y liderada por Unizar. El objetivo de IAXO es la construcción de un helioscopio de nueva generación para la búsqueda de axiones. En una primera fase, la colaboración está construyendo una versión intermedia llamada BabyIAXO con potencial para el descubrimiento de axiones.

El experimento TREX-DM está liderado por Unizar y se ubica en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. TREX-DM utiliza detectores micromegas para la detección directa de WIMP de baja masa.

¿Cómo sabemos que existe la materia oscura?

En 1970 la investigadora Vera Rubin descubrió que las velocidades de rotación de las estrellas dentro de galaxias espirales se mantenían constantes. Estas observaciones contradicen las leyes de la gravedad de Newton, que predicen que las estrellas más alejadas deberían moverse a una velocidad menor. La explicación más plausible es la existencia de otra forma de materia que interactúa gravitatoriamente, pero que apenas interacciona con la materia ordinaria, siendo la evidencia más convincente sobre la existencia de la materia oscura. Más recientemente se han recopilado otras observaciones indirectas de materia oscura como la radiación de fondo de microondas del universo. Sin embargo, la existencia de la materia oscura tiene que ser probada mediante su detección directa. Este es uno de los grandes desafíos de la física moderna.

¿Cómo se detectan los axiones?

Una de las técnicas más prometedoras en la búsqueda de axiones es la del helioscopio. Esta técnica consiste en la detección de axiones que podrían generarse abundantemente en el núcleo del Sol. Estos axiones podrían ser convertidos en rayos-X dentro de intensos campos magnéticos. La señal de axiones sería un exceso de rayos-X cuando el imán apunta al sol, en contaste con el fondo intrínseco del detector. Uno de los objetivos del proyecto Lobres es la reducción del fondo de los detectores de rayos-X, incrementando la sensibilidad a axiones solares. Diferentes líneas de investigación han sido propuestas, como el desarrollo de simulaciones para nuevas técnicas de blindaje y la producción de una nueva electrónica radiopura.

El experimento IAXO se enmarca dentro de los helioscopios de nueva generación y consiste en un imán superconductor de 20 metros de largo que consta de ocho cavidades magnéticas de 60 cm de diámetro. El imán se montará sobre una estructura móvil con capacidad de apuntar al sol durante 12 horas al día. En un extremo de las cavidades magnéticas se colocará un telescopio de rayos-X con el fin de focalizar la señal de los axiones en una región de unos 5 mm de diámetro en los detectores de rayos-X de bajo fondo. La colaboración IAXO está actualmente construyendo una versión intermedia llamada BabyIAXO con un imán de 10 metros de largo provisto de dos cavidades magnéticas.

¿Cuántos WIMP nos atraviesan cada segundo?

La detección directa de WIMP se basa en su colisión con los átomos de detectores de bajo fondo. A pesar de que la interacción de los WIMP con los átomos es altamente improbable, la densidad de WIMP en el universo es elevada, se estima que miles de billones de WIMP nos atraviesan cada segundo. El experimento TREX-DM utiliza detectores gaseosos del tipo micromegas en búsqueda de WIMP de baja masa, en este caso la señal del WIMP sería un exceso de cuentas con respecto al fondo esperado. Una de las claves para la aumentar la sensibilidad de TREX-DM es la mejora del umbral de detección, debido a que la señal de WIMP ligeros se encuentra en el rango de bajas energías. Uno de los objetivos del proyecto Lobres es la reducción del umbral de detección mediante el uso de nuevas etapas amplificadoras, aumentando la sensibilidad del experimento TREX-DM.

Juan Antonio García Pascual Investigador Marie Curie

Con la colaboración de la Unidad de Cultura Científica de la Universidad de Zaragoza

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