Crédito de la imagen: Fermilab.
Con los primeros datos de su observatorio subterráneo en el norte de Minnesota, los científicos de la Búsqueda de materia oscura criogénica han mirado con mayor sensibilidad que nunca al presunto reino de los WIMPS. El avistamiento de partículas masivas que interactúan débilmente podría resolver el doble misterio de la materia oscura en la escala cósmica y de la supersimetría en la escala subatómica.
El resultado de CDMS II, descrito en un documento enviado a Physical Review Letters, muestra con un 90 por ciento de certeza que la tasa de interacción de un WIMP con masa 60 GeV debe ser inferior a 4 x 10-43 cm2 o aproximadamente una interacción cada 25 días por kilogramo de germanio, el material en el detector del experimento. Este resultado le dice a los investigadores más de lo que han conocido antes sobre WIMPS, si existen. Las mediciones de los detectores CDMS II son al menos cuatro veces más sensibles que la mejor medición previa ofrecida por el experimento EDELWEISS, un experimento europeo subterráneo cerca de Grenoble, Francia.
"Piense en esta sensibilidad mejorada como un nuevo telescopio con el doble de diámetro y, por lo tanto, cuatro veces la colección de luz de cualquier otro que haya tenido antes", dijo el portavoz del CDMS II Blas Cabrera de la Universidad de Stanford. “Ahora podemos buscar una señal que sea solo un cuarto tan brillante como cualquiera que hayamos visto antes. En los próximos años, esperamos mejorar nuestra sensibilidad en un factor de 20 o más ".
Los resultados se presentan en la reunión de abril de la American Physical Society el 3 y 4 de mayo en Denver por Harry Nelson y el estudiante graduado Joel Sanders, ambos de la Universidad de California-Santa Bárbara, y por Gensheng Wang y Sharmila Kamat de Case Western Universidad de reserva.
"Sabemos que ni nuestro Modelo estándar de física de partículas ni nuestro modelo del cosmos están completos", dijo el portavoz de CDMS II, Bernard Sadoulet, de la Universidad de California en Berkeley. “Esta pieza faltante en particular parece encajar en ambos acertijos. Estamos viendo la misma forma desde dos direcciones diferentes ".
Los WIMP, que no tienen cargo, son un estudio en contradicciones. Mientras que los físicos esperan que tengan aproximadamente 100 veces la masa de protones, su naturaleza fantasmal les permite deslizarse a través de la materia ordinaria dejando apenas un rastro. El término "interacción débil" no se refiere a la cantidad de energía depositada cuando interactúan con la materia normal, sino al hecho de que interactúan con muy poca frecuencia. De hecho, hasta cien mil millones de WIMP pueden haber fluido a través de su cuerpo al leer estas primeras oraciones.
Con 48 científicos de 13 instituciones, más otros 28 empleados de ingeniería, técnicos y administrativos, CDMS II opera con fondos de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU., De las Divisiones de Astronomía y Física de la Fundación Nacional de Ciencias y de las instituciones miembros. El Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi del DOE proporciona la gestión del proyecto para CDMS II.
"La naturaleza de la materia oscura es fundamental para nuestra comprensión de la formación y evolución del universo", dijo el Dr. Raymond L. Orbach, Director de la Oficina de Ciencia del DOE. "Este experimento no podría haber tenido éxito sin la colaboración activa de la Oficina de Ciencia del DOE y la Fundación Nacional de Ciencia".
Michael Turner, Subdirector de Matemáticas y Ciencias Físicas en NSF, describió la identificación del constituyente de la materia oscura como uno de los grandes desafíos tanto en astrofísica como en física de partículas.
"La materia oscura mantiene unidas todas las estructuras del universo, incluida nuestra propia Vía Láctea, y todavía no sabemos de qué está hecha la materia oscura", dijo Turner. “La hipótesis de trabajo es que es una nueva forma de materia que, si es correcta, arrojará luz sobre el funcionamiento interno de las fuerzas y partículas elementales. Al buscar la solución a este importante rompecabezas, CDMS ahora está a la cabeza del grupo, con otro factor de 20 en sensibilidad aún por venir ”.
La materia oscura en el universo se detecta a través de sus efectos gravitacionales en todas las escalas cósmicas, desde el crecimiento de la estructura en el universo primitivo hasta la estabilidad de las galaxias en la actualidad. Los datos cosmológicos de muchas fuentes confirman que esta materia oscura invisible totaliza más de siete veces la cantidad de materia visible ordinaria que forma las estrellas, los planetas y otros objetos en el universo.
"Algo allá afuera formó las galaxias y las mantiene juntas hoy, y no emite ni absorbe luz", dijo Cabrera. "La masa de las estrellas en una galaxia es solo el 10 por ciento de la masa de toda la galaxia, por lo que las estrellas son como las luces de los árboles de Navidad que decoran la sala de estar de una gran casa oscura".
Los físicos también creen que los WIMP podrían ser las partículas subatómicas aún no observadas llamadas neutralinos. Estos serían evidencia para la teoría de la supersimetría, introduciendo una nueva física intrigante más allá del Modelo Estándar actual de partículas y fuerzas fundamentales.
La supersimetría predice que cada partícula conocida tiene un compañero supersimétrico con propiedades complementarias, aunque todavía no se ha observado ninguno de estos compañeros. Sin embargo, muchos modelos de supersimetría predicen que la partícula supersimétrica más ligera, llamada neutralino, tiene una masa aproximadamente 100 veces mayor que la del protón.
"Los teóricos idearon todos estos llamados" socios supersimétricos "de las partículas conocidas para explicar los problemas en las escalas de distancia más pequeñas", dijo Dan Akerib de la Universidad Case Western Reserve. "En una de esas fascinantes conexiones de lo muy grande y lo muy pequeño, el más ligero de estos supercompañeros podría ser la pieza faltante del rompecabezas para explicar lo que observamos en las escalas de distancia más grandes".
El equipo de CDMS II practica "astronomía subterránea", con detectores de partículas ubicados a casi media milla debajo de la superficie de la tierra en una antigua mina de hierro en Soudan, Minnesota. Los 2,341 pies de la corteza terrestre protegen los rayos cósmicos y las partículas de fondo que producen. Los detectores están hechos de germanio y silicio, cristales semiconductores con propiedades similares. Los detectores se enfrían hasta una décima parte de un grado de cero absoluto, tan frío que el movimiento molecular se vuelve insignificante. Los detectores miden simultáneamente la carga y la vibración producidas por las interacciones de partículas dentro de los cristales. WIMPS señalará su presencia al liberar menos carga que otras partículas para la misma cantidad de vibración.
"Nuestros detectores actúan como un telescopio equipado con filtros que permiten a los astrónomos distinguir un color de luz de otro", dijo Dan Bauer, gerente de proyectos de CDMS II, de Fermilab. "Solo que, en nuestro caso, estamos tratando de filtrar partículas convencionales a favor de la materia oscura WIMPS".
El físico Earl Peterson, de la Universidad de Minnesota, supervisa el Laboratorio Subterráneo Soudan, también hogar del experimento de neutrinos de larga base de Fermilab, la Búsqueda de oscilación de neutrinos del inyector principal.
"Estoy entusiasmado con el nuevo resultado significativo de CDMS II, y felicito la colaboración", dijo Peterson. "Me complace que las instalaciones del Laboratorio Soudan hayan contribuido al éxito de CDMS II. Y estoy especialmente complacido de que el trabajo de Fermilab y la Universidad de Minnesota en la expansión del Laboratorio Soudan haya resultado en una excelente física nueva ".
A medida que CDSMII busque WIMP en los próximos años, se descubrirá la materia oscura de nuestro universo o se excluirá una gran variedad de modelos supersimétricos. De cualquier manera, el experimento CDMS II jugará un papel importante en el avance de nuestra comprensión de la física de partículas y del cosmos.
Las instituciones colaboradoras de CDMS II incluyen la Universidad Brown, la Universidad Case Western Reserve, el Laboratorio Nacional de Aceleración Fermi, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, los Institutos Nacionales de Estándares y Tecnología, la Universidad de Princeton, la Universidad de Santa Clara, la Universidad de Stanford, la Universidad de California-Berkeley, el Universidad de California-Santa Bárbara, la Universidad de Colorado en Denver, la Universidad de Florida y la Universidad de Minnesota.
Fermilab es un laboratorio nacional de la Oficina de Ciencia del DOE operado bajo contrato por Universities Research Association, Inc.
Fuente original: Comunicado de prensa de Fermilab
