Nuevos resultados de la colaboración LUX-ZEPLIN (LZ), en la que participan investigadores del UCL, han establecido los mejores límites hasta la fecha para las partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP), un candidato principal para lo que constituye la masa invisible de nuestro universo.
Descubrir la naturaleza de la materia oscura, la sustancia invisible que constituye la mayor parte de la masa de nuestro universo, es uno de los mayores enigmas de la física.
LZ, el detector de materia oscura más sensible del mundo, no encontró evidencia de WIMP con una masa superior a 9 gigaelectronvoltios/c2 (GeV/c2). (A modo de comparación, la masa de un protón es ligeramente inferior a 1 GeV/c2.) El nuevo resultado, basado en 280 días de datos, es casi cinco veces mejor que el mejor resultado publicado anteriormente en el mundo.
LZ busca materia oscura en una caverna a casi una milla bajo tierra en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur.
Los investigadores de la UCL desempeñan un papel clave en la colaboración, ya que lideran el experimento y la física primaria, junto con el portavoz internacional y el responsable del análisis de búsqueda de WIMP. Los nuevos resultados del experimento exploran áreas nunca antes investigadas y limitan aún más lo que podrían ser los WIMP.
El profesor Chamkaur Ghag, portavoz de LZ con sede en el Departamento de Física y Astronomía de la UCL, dijo: “Se trata de nuevas restricciones líderes a nivel mundial por un margen considerable en materia oscura y WIMP.
“Si los WIMP hubieran estado en la región que buscamos, habríamos podido decir algo con certeza sobre ellos. Sabemos que tenemos la sensibilidad y las herramientas para ver si están allí mientras buscamos energías más bajas y acumulamos la mayor parte de la vida útil de este experimento”.
Los nuevos resultados se presentaron en dos conferencias de física el 26 de agosto: TeV Particle Astrophysics 2024 en Chicago, Illinois, y LIDINE 2024 en São Paulo, Brasil. En las próximas semanas se publicará un artículo.
Los resultados analizan 280 días de datos: un nuevo conjunto de 220 días (recopilados entre marzo de 2023 y abril de 2024) combinado con 60 días anteriores de la primera ejecución de LZ. El experimento planea recopilar 1000 días de datos antes de que finalice en 2028.
El profesor Scott Kravitz, coordinador adjunto de física de LZ en la Universidad de Texas en Austin, dijo: “Si pensamos en la búsqueda de materia oscura como si buscáramos un tesoro enterrado, hemos cavado casi cinco veces más profundo que cualquier otro en el pasado.
“Eso es algo que no se hace con un millón de palas: se hace inventando una nueva herramienta”.
La sensibilidad de LZ se debe a las innumerables formas en que el detector puede reducir los fondos, las señales falsas que pueden simular u ocultar una interacción de materia oscura. En las profundidades subterráneas, el detector está protegido de los rayos cósmicos que llegan desde el espacio.
Para reducir la radiación natural de las miles de partes del detector de LZ, el grupo de UCL codirigió la meticulosa campaña de casi una década de duración para seleccionar materiales con los que construir LZ, implementando instalaciones de radioensayo de última generación en UCL y en el Laboratorio Subterráneo Boulby del Reino Unido para lograr una baja radiactividad sin precedentes.
El detector LZ está construido como una cebolla, y cada capa bloquea la radiación externa o rastrea las interacciones de partículas para descartar imitaciones de materia oscura.
La búsqueda WIMP, dirigida por la Dra. Amy Cottle (Física y Astronomía de la UCL), implementa sofisticadas técnicas de análisis para identificar posibles eventos candidatos de materia oscura en medio de cualquier fondo residual, incluida una innovación novedosa para identificar al culpable más común: el radón.
El Dr. Cottle dijo: “Este es un análisis complejo, que involucra a cientos de científicos durante varios años para completar miles de tareas detalladas.
“El esfuerzo de la UCL ha sido fundamental en este trabajo, liderando áreas clave del análisis e impulsando la innovación para mitigar los problemas y desarrollar herramientas de inferencia estadística nuevas y poderosas”.
Este resultado es también la primera vez que LZ ha aplicado “salting”, una técnica que añade señales WIMP falsas durante la recopilación de datos. Al camuflar los datos reales hasta “dessalificarlos” al final, los investigadores pueden evitar sesgos inconscientes y evitar interpretar o cambiar excesivamente sus análisis.
El Dr. Scott Haselschwardt, coordinador de física de LZ en la Universidad de Michigan, dijo: “Estamos ampliando el límite hacia un régimen en el que la gente no ha buscado materia oscura antes.
“Existe una tendencia humana a querer ver patrones en los datos, por lo que es muy importante que, cuando se entra en este nuevo régimen, no haya ningún sesgo. Si se hace un descubrimiento, se quiere hacerlo correctamente”.
Se calcula que la materia oscura, llamada así porque no emite, refleja ni absorbe luz, constituye el 85% de la masa del universo, pero nunca se ha detectado directamente, aunque ha dejado su huella en múltiples observaciones astronómicas. No existiríamos sin esta misteriosa pero fundamental pieza del universo; la masa de la materia oscura contribuye a la atracción gravitatoria que ayuda a que las galaxias se formen y permanezcan juntas.
LZ utiliza 10 toneladas de xenón líquido para proporcionar un material denso y transparente con el que las partículas de materia oscura puedan chocar. La esperanza es que un WIMP choque contra un núcleo de xenón, lo que provocaría que se mueva, de forma similar al impacto de una bola blanca en una partida de billar. Al recopilar la luz y los electrones emitidos durante las interacciones, LZ captura posibles señales WIMP junto con otros datos.
Los estudiantes de doctorado de la UCL Emily Perry (ahora becaria Chamberlain en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley), Isabelle Darlington, Simran Dave y el investigador postdoctoral Dr. Aiham Al Musalhi fueron fundamentales en el análisis de datos para los nuevos resultados: desarrollaron rutinas de selección de eventos, identificaron y modelaron fondos en el detector con simulaciones de Monte Carlo y, con colegas del Reino Unido, implementaron la identificación del radón para esta búsqueda.
Los investigadores de la UCL, el Dr. Robert James (ahora en la Universidad de Melbourne) y el Dr. Joe McLaughlin, dirigieron la inferencia estadística de los datos para este análisis, implementando herramientas completamente nuevas y revolucionarias que el Dr. James desarrolló en la UCL con colegas del Reino Unido.
Jacopo Siniscalco, candidato a doctorado de la UCL, fue un desarrollador fundamental del marco estadístico, y al mismo tiempo colaboró en el desarrollo de la cadena de datos clave para el experimento, desde el detector subterráneo hasta el procesamiento y preparación de datos computacionalmente intensivos para analistas en los dos centros de datos de LZ, uno en los EE. UU. y otro en el Reino Unido.
El profesor David Waters, director de Física de Altas Energías de la UCL, afirmó: “Comprender el enigma de la materia oscura es uno de los desafíos más urgentes de la física de partículas en la actualidad. Además del trabajo pionero de Cham y Amy, tenemos equipos de personas en la UCL que buscan la producción directa de partículas de materia oscura en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, que cartografían la materia oscura a partir de estudios cosmológicos y que exploran los fundamentos teóricos de la evidencia gravitacional de la materia oscura.
“Es un período increíblemente emocionante en esta búsqueda, en el que la UCL desempeña un papel destacado”.
El Dr. Cottle dijo: “Hemos demostrado lo fuertes que somos como máquina de búsqueda WIMP y seguiremos funcionando y mejorando aún más, pero hay muchas otras cosas que podemos hacer con este detector.
“La siguiente etapa es utilizar estos datos para estudiar otros procesos físicos interesantes y raros, como las desintegraciones raras de átomos de xenón, la desintegración beta doble sin neutrinos, los neutrinos de boro-8 del Sol y otros procesos físicos que van más allá del modelo estándar. Y esto se suma a la investigación de algunos de los modelos de materia oscura más interesantes y hasta ahora inaccesibles de los últimos 20 años”.
LZ es una colaboración de aproximadamente 250 científicos de 38 instituciones, liderada por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos, en los Estados Unidos, el Reino Unido, Portugal, Suiza, Corea del Sur y Australia; gran parte del trabajo de construcción, operación y análisis de este experimento que ha batido récords lo realizan investigadores en el inicio de su carrera. La colaboración ya está deseando analizar el próximo conjunto de datos y utilizar nuevos trucos de análisis para buscar materia oscura de masa aún menor. Los científicos también están pensando en posibles actualizaciones para mejorar aún más LZ y están planificando un detector de materia oscura de próxima generación llamado XLZD.
LZ cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Oficina de Ciencias, la Oficina de Física de Altas Energías y el Centro Nacional de Computación Científica para la Investigación Energética, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. LZ también cuenta con el apoyo del Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas del Reino Unido; la Fundación Portuguesa para la Ciencia y la Tecnología; la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia y el Instituto de Ciencias Básicas de Corea. Más de 38 instituciones de educación superior e investigación avanzada brindaron apoyo a LZ.
Marcos Greaves
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