Development and Initial Performance of an Upgraded NaI(Tl) Crystal Encapsulation for COSINE-100U

Imagina que el universo es un océano gigante y oscuro, y la mayor parte del agua está hecha de algo que no podemos ver, tocar ni oler. Los científicos llaman a esta sustancia invisible "materia oscura". Sabemos que está ahí porque tira de las estrellas y las galaxias como una gravedad oculta, pero nadie ha logrado atrapar jamás una sola partícula de ella. Es como intentar encontrar a un fantasma específico en una casa encantada simplemente escuchando los pasos. Un experimento famoso, llamado DAMA/LIBRA, afirmó haber escuchado esos pasos: vieron una señal que oscilaba hacia arriba y hacia abajo cada año, exactamente como la Tierra moviéndose a través de una nube de materia oscura. Pero otros científicos se mostraron escépticos. Querían escuchar el mismo sonido con el mismo tipo de "oídos" para estar seguros de que no era solo el crujido de un tablón del suelo o una corriente de aire por la ventana.

Para resolver la disputa, un equipo construyó un nuevo par de oídos utilizando cristales especiales que brillan cuando son golpeados por partículas. Estos cristales, hechos de yoduro de sodio, son como pequeñas linternas super-sensibles que destellan cada vez que una partícula de materia oscura (o una partícula de fondo regular) los golpea. El desafío es que estos cristales son muy exigentes; necesitan mantenerse secos, y la luz que producen tiene que ser capturada perfectamente para poder ser contada. Si la luz se pierde o si el cristal se ensucia, la señal se ahoga en el ruido. Este artículo cuenta la historia de cómo un equipo tomó un viejo conjunto de estos oídos de cristal, les dio un gran cambio de imagen y los colocó en un hogar nuevo y mucho más silencioso bajo tierra para ver si podían escuchar mejor el susurro de la materia oscura.

El cambio de imagen de los cristales: De ventanas empañadas a cristales claros

Los científicos detrás del experimento COSINE-100 decidieron mejorar su detector, creando una nueva versión llamada COSINE-100U. Piensa en su antigua configuración como una cámara con un vidrio grueso y empañado frente al lente. Cada vez que un destello de luz (un fotón) intentaba pasar del cristal al sensor, tenía que atravesar esta ventana, perdiendo algo de brillo en el camino. En el diseño antiguo, estas "ventanas" eran en realidad bloques gruesos de cuarzo que se situaban entre el cristal y los sensores de luz.

Para la mejora, el equipo decidió romper las ventanas empañadas. Eliminaron el cuarzo por completo y pegaron los sensores de luz directamente al cristal usando una fina almohadilla de silicona transparente. Es como tomar una cámara y pegar el lente directamente a la película, saltándose el vidrio por completo. Para asegurar que ninguna luz escapara por los lados, también tallaron los bordes de los cristales en un ángulo de 45 grados, actuando como un espejo que hace rebotar la luz errante de vuelta hacia los sensores. Envolvieron todo en un material brillante y blanco (PTFE) que actúa como un espejo perfecto, y lo sellaron dentro de una caja de cobre para mantener fuera cualquier líquido que pudiera arruinar el cristal.

Los resultados: Destellos más fuertes y habitaciones más silenciosas

Después de construir este nuevo sistema, el equipo lo probó en un laboratorio a temperatura ambiente en las instalaciones de Yemilab en Corea. Hicieron funcionar el detector durante 2462 horas (unos 102.6 días) y compararon los resultados con los 698 horas finales (29.1 días) de datos del detector antiguo.

Los resultados fueron un gran éxito. El nuevo diseño hizo que los cristales fueran mucho más brillantes. En la configuración antigua, los cristales producían un promedio de unos 15 fotoelectrones (pequeños destellos de luz) por cada kiloelectrón-voltio (keV) de energía. En la nueva configuración, ese número aumentó. Los cristales ahora producen entre 15.8 y 27.7 p.e./keV. Seis de los ocho cristales incluso superaron la marca de los 20 p.e./keV. Un cristal, en particular, pasó de ser un tenue 15.5 a un brillante 27.7.

Mejor aún, la mejora salvó a dos cristales que anteriormente eran demasiado tenues para ser usados. En el experimento anterior, los Cristales 5 y 8 estaban tan empañados que tuvieron que ser ignorados. Después del cambio de imagen, el Cristal 5 pasó de un débil 7.3 a un fuerte 17.8, y el Cristal 8 pasó de un muy tenue 3.5 a un utilizable 15.8. ¡Fueron traídos de vuelta de la muerte!

Limpiando el ruido

Hacer que los cristales sean más brillantes es solo la mitad de la batalla; también necesitas que la habitación sea más silenciosa. Los cristales pueden verse perturbados por el "ruido de fondo", que proviene de diminutas cantidades de radiactividad natural dentro del cristal o en su superficie. El equipo midió dos tipos de este ruido:

1. Alfa de volumen (Bulk Alpha): Ruido que proviene de las profundidades del cristal.
2. Alfa de superficie (Surface Alpha): Ruido que proviene de la piel exterior del cristal.

Las mediciones mostraron que el ruido de "volumen" (lo que está en el fondo) disminuyó ligeramente, que es exactamente lo que se espera a medida que el material radiactivo natural dentro de él se desvanece lentamente con el tiempo. Sin embargo, el ruido de "superficie" cayó drásticamente. Debido a que el equipo fue muy cuidadoso al limpiar y pulir los cristales antes de sellarlos, el ruido de superficie se redujo de forma masiva. Para algunos cristales, el ruido de superficie cayó casi diez veces.

La imagen final

Cuando el equipo observó los espectros de energía (el gráfico que muestra cuántos eventos ocurrieron en diferentes niveles de energía), el nuevo detector mostró menos "falsas alarmas" a bajas energías. Esto es crucial porque se espera que las señales de materia oscura sean muy tenues y de baja energía. Al hacer los cristales más brillantes y el ruido de fondo más silencioso, el detector COSINE-100U es ahora mucho más sensible.

El artículo concluye que este nuevo diseño funciona exactamente como se planeó. Los cristales son más brillantes, el ruido es menor y el detector está listo para su siguiente fase: funcionar a un frío de -30 °C. Los científicos creen que enfriar los cristales los hará aún mejores para detectar los tenues susurros de la materia oscura. Aunque este artículo no afirma haber encontrado la materia oscura todavía, ha construido con éxito un par de oídos mucho más agudos para escucharla.