The PICO-40L detector

Durante décadas, los astrónomos han sabido que el universo está lleno de algo invisible. No podemos verlo y no brilla, pero su gravedad mantiene unidas a las galaxias y da forma al cosmos. Esta sustancia invisible se llama materia oscura. Aunque sabemos que existe, no sabemos de qué está hecha. Una teoría principal sugiere que consiste en partículas masivas que rara vez interactúan con la materia normal, conocidas como Partículas Masivas de Interacción Débil, o WIMPs (por sus siglas en inglés). Si estas partículas existen, ocasionalmente deberían chocar contra los núcleos de los átomos en un detector en la Tierra, creando un diminuto destello de energía. El desafío es que estas colisiones son increíblemente raras y producen señales tan tenues que son fácilmente ahogadas por el ruido de fondo natural, como la radiación de las rocas o los rayos cósmicos. Para encontrarlas, los científicos deben construir detectores en lo profundo del subsuelo, protegidos por millas de roca, y utilizar materiales tan puros que no emitan su propia radiación.

Un equipo de investigadores conocido como la Colaboración PICO ha construido un nuevo detector para cazar estas partículas elusivas, y ha publicado un informe detallado sobre su diseño y rendimiento inicial. El detector, llamado PICO-40L, es una gran cámara de burbujas ubicada a dos kilómetros bajo tierra en una mina en Sudbury, Canadá. A diferencia de los detectores tradicionales que utilizan cristales sólidos o tanques de líquido, esta máquina utiliza un líquido especial llamado octafluoropropano, que se mantiene en un estado en el que está listo para hervir pero es contenido por la presión. Cuando una partícula golpea un átomo en este líquido, deposita una cantidad minúscula de energía, provocando la formación instantánea de una pequeña burbuja. La máquina está diseñada para ser tan sensible que pueda detectar el diminuto depósito de energía de una colisión de materia oscura, ignorando al mismo tiempo los depósitos de energía mucho más grandes de otros tipos de radiación que no crean burbujas.

El detector PICO-40L representa una evolución significativa en la forma en que se construyen estas cámaras de burbujas. Las versiones anteriores del experimento utilizaban un diseño donde el líquido objetivo se asentaba sobre un fluido amortiguador, separados por un contenedor único. Esta configuración antigua creaba una frontera entre dos líquidos diferentes, lo que a veces podía generar señales falsas. El nuevo PICO-40L utiliza una disposición completamente diferente, que el equipo llama el diseño "Derecho Arriba" (Right-Side-Up). En esta configuración, el líquido objetivo se contiene dentro de un recipiente de vidrio de doble pared que se sitúa en la parte inferior de la cámara, con el sistema de presión ubicado debajo de este en lugar de encima. Este cambio elimina la interfaz entre dos fluidos y traslada las partes mecánicas que podrían crear ruido a una zona más fría e inactiva. El resultado es un entorno más limpio donde es menos probable que el detector sea engañado por el ruido de fondo.

Para mantener el detector funcionando correctamente, el equipo tuvo que resolver un difícil problema térmico. El líquido dentro de la cámara debe mantenerse a dos temperaturas diferentes al mismo tiempo. El volumen principal donde ocurre la búsqueda de materia oscura debe mantenerse lo suficientemente caliente como para estar listo para formar burbujas, típicamente alrededor de trece grados Celsius. Sin embargo, la parte inferior del recipiente, donde se encuentran las tuberías y los sellos mecánicos, debe mantenerse mucho más fría, alrededor de menos veintidós grados Celsius. Si la parte inferior se calienta demasiado, el líquido allí podría empezar a hervir por sí solo, creando burbujas que parecen señales de materia oscura pero que son en realidad solo ruido térmico. Los investigadores construyeron un complejo sistema de bobinas de enfriamiento y placas de calentamiento para mantener estas dos zonas de temperatura distintas, asegurando que las burbujas solo se formen en el área activa donde las cámaras puedan verlas.

El detector está equipado con un sofisticado sistema para vigilar estas burbujas. Cuatro cámaras de alta velocidad están montadas alrededor de la cámara, tomando imágenes del líquido desde diferentes ángulos. Cuando se forma una burbuja, las cámaras capturan su crecimiento, permitiendo a los científicos calcular exactamente dónde ocurrió y qué tan grande se volvió. Junto con las cámaras, la máquina utiliza doce diminutos micrófonos, conocidos como transductores piezoeléctricos, presionados contra la parte exterior del recipiente de vidrio. Estos micrófonos escuchan el sonido de la formación de la burbuja. Diferentes tipos de partículas crean firmas acústicas distintas; por ejemplo, las partículas alfa, que son una fuente común de ruido de fondo, producen una firma acústica distinta comparada con el suave estallido de un candidato a materia oscura. Al combinar los datos visuales de las cámaras con los datos de sonido de los micrófonos, el equipo puede distinguir entre una señal real y una falsa alarma.

Los investigadores probaron el detector con dos ejecuciones principales. Primero, realizaron una prueba de calibración utilizando una fuente de neutrones para simular el tipo de colisiones que esperan encontrar. Más tarde, realizaron un largo periodo de puesta en marcha sin una fuente externa, simplemente esperando a ver qué sucedía naturalmente. Durante estas pruebas, el detector operó de manera estable, distinguiendo con éxito entre burbujas individuales en el líquido y eventos no deseados, como la formación de burbujas en las paredes del recipiente o la formación de múltiples burbujas a la vez. El equipo encontró que el nuevo diseño suprimió eficazmente el ruido de fondo que había afectado a las versiones anteriores. Calcularon que el detector debería ver muy pocas señales falsas provenientes de la radioactividad natural o los rayos cósmicos, siendo el principal ruido de fondo restante esperado una interacción rara que involucra neutrinos, una partícula subatómica que es casi imposible de blindar.

Aunque el detector aún no ha encontrado una partícula de materia oscura, el artículo confirma que el nuevo diseño funciona según lo previsto. El PICO-40L demostró con éxito que la geometría "Derecho Arriba" puede operar de manera fiable, manteniendo el fluido objetivo sobrecalentado en el centro mientras mantiene la fontanería fría y silenciosa. Este éxito allana el camino para la siguiente generación del experimento, un detector mucho más grande llamado PICO-500, que está actualmente en construcción. Al demostrar que este nuevo diseño puede manejar la sensibilidad extrema requerida para la caza de materia oscura, la Colaboración PICO ha superado un importante obstáculo en la búsqueda de la sustancia invisible que constituye la mayor parte de la materia en nuestro universo.