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Laboratorio Subterráneo de Canfranc (Parte II): ANAIS y los cazadores de materia oscura

 

Diversos experimentos en el LSC, dedicados a la búsqueda de materia oscura y medición de las propiedades de los neutrinos.

Nota: El autor desea agradecer a Alfonso Ortiz y Miguel Ángel Oliván del experimento ANAIS por el agradable e informativo recorrido por las instalaciones, así como acceder a ser entrevistados para Astrobitos. También a José Luis Cebollada, de Ciencia Viva y a Carlos Pobes por haber gestionado la visita. 

 
En un artículo anterior visitamos el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) ubicado bajo la montaña, en las profundidades de un antiguo túnel ferroviario en la frontera entre España y Francia, y aprendimos sobre su interesante historia y los experimentos que allí se llevan a cabo, gracias a la entrevista para Astrobites en Español que nos brindó Alfonso Ortíz, del equipo científico del experimento ANAIS. Hoy, otro de los científicos de este experimento nos explicará cómo ANAIS hace uso de las tecnologías más avanzadas en electrónica y ciencia de materiales para descifrar uno de los misterios más grandes del cosmos: la naturaleza de la materia oscura.

La materia oscura no es otra cosa que la explicación más probable para un fenómeno que no podemos entender: que las galaxias espirales giran más rápido en sus partes exteriores de lo que deberían, y que las galaxias en los cúmulos de galaxias también orbitan a mayores velocidades de lo que su masa visible podría permitir según la ley de gravitación universal de Isaac Newton. Es decir, el Universo parece estar lleno de materia que no podemos ver, por lo que los astrónomos la llamaron materia oscura. Los astrónomos buscan pruebas de su existencia tanto en el Universo local como en los confines del cosmos.

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El famoso “cúmulo bala“. Es en realidad el resultado del choque frontal de dos cúmulos de galaxias que se atravesaron el uno al otro. El color rosa/violeta traza el gas caliente intracumular que brilla en rayos X que las galaxias dejaron tras de si en la colisión y el azul es la supuesta distribución de materia oscura que las acompaña. Se considera hasta ahora una de las pruebas astrofísicas más importantes de la existencia de la materia oscura. (Foto: NASA)

Sin embargo, para saber a ciencia cierta de qué se trata debemos observar directamente qué la compone. Es ahí donde los astrónomos dejan el relevo a los físicos de partículas. La idea es que una partícula elemental muy masiva que interacciona muy poco con la materia excepto por la gravedad, que la domina a grandes escalas sobre la materia ordinaria (materia bariónica), es muy abundante en el Universo, y da cuenta de la masa que falta para poder explicar los movimientos de las galaxias. Hace años que se está intentando detectar a la partícula de la materia oscura en detectores subterráneos como los del LSC o en poderosos aceleradores de partículas como el LHC. El problema es que solo tenemos una idea muy vaga de las propiedades de esta partícula y por tanto es muy difícil saber cómo buscarla. La partícula candidata que más gusta a los físicos y en cuya búsqueda se han depositado mayores esfuerzos son las llamadas Partículas Masivas de Interacción Débil (WIMP por sus siglas en inglés). Se espera que sean muy masivas y que además de la gravedad interaccionen con el resto de la materia únicamente  por medio de la interacción nuclear débil, que como su nombre lo indica es muy débil y opera a distancias muy pequeñas, del órden del tamaño de un núcleo atómico. Esto haría que de existir, las WIMP sean tremendamente difíciles de detectar, podrían atravesar pársecs de plomo puro sin interactuar con un solo átomo.

Muchos experimentos hasta ahora no han logrado encontrar nada, por lo que los físicos teóricos están buscando alternativas a las WIMP cada vez más exóticas (y más difíciles de demostrar) y  algunos astrónomos están buscando también explicaciones alternativas basadas en física más ordinaria y preguntándose si no hay algo más básico que no están teniendo en cuenta. Lo cierto es que no todos los experimentos han dado resultados negativos. Un experimento italiano, llamado DAMA/Libra ha reportado una variación estacional en el posible flujo de WIMP al moverse la Tierra en su órbita alrededor del Sol, lo que demostraría su existencia. También cierto es que ningún otro experimento hasta ahora ha logrado reproducir sus resultados y por tanto no se han tomado como definitivos. Sin embargo, tal como los miembros del grupo de Física Nuclear y Astropartículas de la Universidad de Zaragoza se dieron cuenta, ninguno de los otros experimentos usa exactamente el mismo método de detección que DAMA/Libra, por tanto no necesariamente las comparaciones son adecuadas. Con esto en mente, ANAIS (Modulación Anual con Centelleadores de NaI(Tl) , por sus siglas en inglés) fue concebido para intentar confirmar o refutar de una vez por todas los resultados del experimento italiano usando las mismas técnicas de detección, pero con una tecnología más avanzada que permite una sensibilidad instrumental mucho mayor, y esperan así poder resolver éste misterio. Pero quién mejor que uno de los científicos del experimento ANAIS para explicárnoslo, así que les dejamos con la entrevista a Miguel Ángel Oliván, físico y responsable de parte de la instrumentación del experimento:

Miguel Ángel Oliván, junto a su póster explicando el experimento. (Foto cortesía de Experimento ANAIS).

 

 

P:¿Cuánto tiempo lleva trabajando en ANAIS y cuál es su papel en el experimento?

R: Llevo seis años y medio en ANAIS. Mi papel en el experimento es el de responsable de la adquisición de datos. Esto comprende desde la detección de luz de centelleo de los detectores, el tratamiento y digitalización de la señal eléctrica en la que se convierte y su posterior adquisición, almacenamiento y procesado y pre-análisis automático para su posterior análisis. Mi trayectoria es un poco peculiar para este mundillo, porque, aún siendo físico de formación, estuve más de diez años en la empresa privada en el sector de la informática. Esta experiencia me permitió optar a este puesto en ANAIS, que como se puede ver es eminentemente técnico.

P:¿Qué espera encontrar ANAIS y por qué necesita un lugar como Canfranc?

R: ANAIS espera poder confirmar la señal positiva de DAMA/LIBRA en modulación anual de detección de WIMPs. Los WIMPs (partículas masivas que interaccionan débilmente) son unos de los candidatos más firmes para solucionar el problema de la materia oscura. DAMA/LIBRA, un experimento italiano que se lleva a cabo en el laboratorio subterráneo de Gran Sasso, afirma estar viendo modulación (variación estacional) en la zona de baja energía y la atribuye a la interacción de WIMPs, que se espera que efectivamente varíe con el cambio estacional en la velocidad relativa Tierra/centro galáctico.

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Éste cilindro contiene los cristales de yoduro de sodio que hacen de blanco para el  detector. Podemos ver cómo están rodeados por bloques de plomo de muy baja actividad para blindarlos de la radiactividad natural y mejorar las posibilidades de obtener una señal más clara de las WIMP. (Foto cortesía de Experimento ANAIS)

La probabilidad de interacción del WIMP es muy baja y por ello debemos blindarnos (o apantallar) la radiación natural. Para evitar la radiación cósmica secundaria (fundamentalmente muones) nada mejor que un gran blindaje enorme y natural: una montaña. Por eso el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) está ubicado bajo el monte Tobazo, bajo más de 800 metros de roca. Además los detectores deben blindarse frente a la radioactividad natural y por eso están también blindados con ladrillos de plomo de baja actividad.

P:¿Cómo funciona el detector de ANAIS?

R: ANAIS está compuesto de varios módulos de yoduro de sodio, que es un detector de radiación bien conocido y ampliamente usado. Estos módulos de ANAIS tienen la particularidad de que deben tener muy baja radiación intrínseca (por la misma razón que se blindan, porque la interacción esperada de los WIMPs es muy poco probable y otras interacciones enmascararían su señal). El yoduro de sodio detecta la radiación emitiendo luz. Esta luz es convertida en señal eléctrica que luego es procesada electrónicamente y posteriormente digitalizada.

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Miguel Ángel Oliván con el contenedor que es el corazón del experimento ANAIS: dentro están los cristales de yoduro de sodio contra los que deben chocar las WIMP para ser detectadas.(Foto cortesía de Experimento ANAIS)

P:¿Cómo empezó el proyecto y cuál es su estado actual?.

R: Los primeros experimentos con yoduro de sodio para detectar materia oscura llevados a cabo por el grupo de la Universidad de Zaragoza en el LSC datan de mediados de la década de 1990. Desde entonces se han ido mejorando el conocimiento del grupo en la operación de yoduros de bajo fondo radioactivo para la detección directa de materia oscura. En la actualidad estamos involucrados en el proyecto doce personas: siete profesores, dos estudiantes posdoctorales, una estudiante predoctoral y tres técnicos.

Trabajar bajo tierra, con gases licuados y otros materiales puede ser muy peligroso. La seguridad tiene una prioridad grande en el LSC y deben seguirse estrictos protocolos; por todos lados encontramos letreros y señales recordándolos.

P:¿Cuáles son los retos tecnológicos de construir y operar un detector de materia oscura como ANAIS?

R: Para mí existen tres grandes retos: conseguir detectores de muy bajo fondo radioactivo intrínseco, obtener un bajo umbral de detección y tener una adquisición de datos muy estable.

El primer reto es el más difícil y es por el que el proyecto se ha tenido que ir retrasando y es que tener un yoduro suficientemente puro, con muy poco potasio y plomo, requiere técnicas que los fabricantes de detectores de yoduro no suelen usar.

El LSC posee una sala limpia, libre de polvo donde puede trabajarse con los componentes electrónicos más delicados de los diferentes experimentos.

El LSC posee una sala limpia, libre de polvo donde puede trabajarse con los componentes electrónicos más delicados de los diferentes experimentos.

Por otro lado, para tener un bajo umbral de detección se requiere unos cristales de yoduro buenos, con buena transparencia y buen acoplo óptico. Además el tratamiento de la señal eléctrica debe filtrar el ruido eléctrico indeseado que puede afectar a señales pequeñas.

Por último, la estabilidad es importantísima en un experimento de modulación anual: dado que lo que pretendemos medir es la variación estacional en la detección de eventos a baja energía debemos garantizar que tanto la estimación de la energía como el umbral de detección sean estables a lo largo del tiempo.

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Alfonso Ortíz, en la sala limpia del LSC, trabajando en el detector del experimento ANAIS. (Foto cortesía de Experimento ANAIS).

P:¿Hay colaboración de ANAIS con otros experimentos del laboratorio o de otros laboratorios?

R: El caso de DAMA/LIBRA es singular: es el único experimento que afirma haber detectado materia oscura con una señal persistente en el tiempo. Debido a esto y a la dificultad técnica de replicar el experimento existe una gran colaboración entre todos los experimentos de materia oscura que usan o pretenden usar yoduro de sodio: un grupo de Corea y otro estadounidense son los más activos en este campo.

P:¿Cuál ha sido el que considera el momento más importante o emocionante en el tiempo que lleva trabajando en el experimento? 

R: Por el momento, la confirmación de que estamos a punto de tener detectores suficientemente puros para llevar a cabo el experimento definitivo ha sido para mí lo más emocionante y espero que sea sobrepasado por el día que montemos todos los detectores ultrapuros a medir. Y éste por el día que demos el resultado físico. Pero paso a paso 🙂

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Parte del equipo de científicos y técnicos del experimento ANAIS en las instalaciones del LSC. (Foto cortesía Experimento ANAIS).

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