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Eric Vázquez y la fuerza de simulaciones de detectores para descifrar la materia oscura

Luciana de la Fuente
1/nov/2019

Como si de una contienda electoral se tratara, cuando hablamos de qué es lo que constituye a la materia oscura hay diversos candidatos como propuesta. Uno de estos contrincantes son unas partículas llamadas WIMPs, cuya detección requiere de sofisticados detectores y simulaciones previas, en las que, por cierto, trabaja un grupo de mexicanos en el Instituto de Física.

“Aquí en el IF nosotros nos encargamos de las simulaciones, de modelar los detectores para ver cuál es su respuesta, qué ruidos de fondo los afectarán, su eficiencia, cómo se comportan, cómo calibrarlos y cómo se van a diseñar”, afirma Eric Vázquez, investigador del IFUNAM.

Modelar los detectores significa estudiar en la computadora cuál es la respuesta que van a tener ante la interacción de las partículas, ya sean provenientes del ruido de fondo o de la materia oscura.

Eric Vázquez, junto con su equipo de trabajo conformado por los investigadores posdoctorales Adiv González, Estela Garcés y Daniel Marin, en conjunto con algunos alumnos de doctorado, maestría y licenciatura, realizan dichas modelaciones para tres grandes detectores: PICO, SBC y DEAP, ubicados a 2km bajo tierra en el laboratorio canadiense SNOLAB.

Estos experimentos buscan determinar la naturaleza de la materia oscura a través de la detección de partículas de interacciones débiles, mas usan tecnologías diferentes. Los investigadores esperan que las partículas interactuantes sean WIMPs (partículas masivas débilmente interactuantes, por sus siglas en inglés). Además, el detector SBC servirá para estudiar propiedades de los neutrinos, al tener la capacidad de medir el proceso llamado “dispersión elástica coherente neutrino-núcleo” (CENS, por sus siglas en inglés).

Detectar WIMPs significa todo un reto, esto, debido a que son prácticamente imperceptibles por no interactuar con ninguna de las partículas hasta ahora conocidas. A pesar de ello, los investigadores de las colaboraciones internacionales PICO, SBC y DEAP3600 trabajan para desarrollar tecnologías que hagan posible la detección de WIMPs o cualquier otra partícula masiva que pueda constituir el gran misterio de la materia oscura.

Eric Vázquez. Foto: Carlos Antonio Sánchez.

PICO, SBC y DEAP3600: detectores subterráneos

PICO funciona a partir de fluidos sobrecalentados de carbono y flúor que permiten ver la interacción de las partículas que interactúen con ellos a su paso. Cuando el fluido está a punto de ebullir, una partícula golpea el núcleo de un átomo y como resultado se produce una burbuja, la cual es fotografiada para posteriormente identificar qué partícula fue la que interactuó. Además, se utilizan sensores piezoeléctricos que permiten “escuchar” cuando la burbuja se crea para también poder identificar qué partícula interactuó con el material.

DEAP3600, a diferencia de PICO, funciona con argón líquido. El argón es un centellador, por lo que cuando la partícula golpea un átomo emite luz y ésta es detectada por unos sensores llamados tubos multiplicadores. Al chocar la partícula con el átomo se forma un dímero, que es una molécula de argón y la responsable de emitir luz, pues al momento en que ésta decae, es cuando se produce el pulso de luz. SBC es un detector que combina ambas tecnologías, pues es una cámara de burbujas que usará como material sensible 10 kg de argón líquido, lo que permitirá detectar tanto la formación de las burbujas con cámaras de video y el sonido con los sensores piezoeléctricos, como la luz del centelleo del argón usando sensores de silicio (Multi-Pixel Photon Counters, MPPCs).

Hasta ahora, los investigadores de la colaboración utilizan detectores de 40L, 3.3 toneladas y 10 kg, respectivamente, sin embargo, van por más. “Ahora estamos incrementando el tamaño de los detectores, estamos trabajando en construir uno de 500L de capacidad para PICO, uno de 20 toneladas para DEAP y uno de una tonelada para SBC”, menciona Vázquez. Al incrementar su tamaño, planean explorar interacciones más débiles, lo cual aumenta las ventajas para la búsqueda de materia oscura.

Del Instituto de Física a SNOLAB

Hasta ahora no se ha detectado ninguna WIMP u otra partícula proveniente de materia oscura. Pero eso no quiere decir que no haya ningún avance. En realidad, lo que los investigadores hacen es definir límites con las características que tendría (o no tendría) una partícula de materia oscura para acotar su rango de masa y con ello delimitar una sección eficaz: el área efectiva para la colisión de partículas.

Para aumentar la efectividad, es necesario que los materiales que componen a los detectores tengan el menor ruido de fondo posible, ya que todo este ruido, proveniente de las impurezas en dichos materiales y el ambiente emite partículas como son neutrones, rayos gama y decaimientos alfa, las cuales imitan a las señales que produciría la materia oscura. Por otro lado, el ruido sirve para caracterizar los detectores y saber qué tan sensibles son.

Lo que hacen los investigadores mexicanos es evaluar el desempeño de los detectores en distintas condiciones de ruido o de materiales para lograr detecciones más certeras.

Para ello, Vázquez utiliza un software llamado Geant4, el cual es un código que usa métodos de Monte Carlo (métodos aleatorios) para simular el paso de partículas a través de materiales y analizar los datos que arroja este movimiento.

Disminuir el ruido de fondo ha sido uno de los trabajos más difíciles de la investigación, sin embargo, gracias a ello se obtienen interacciones más puras y por lo tanto, se vuelve más factible detectar partículas de materia oscura. Para esto, es imprescindible estudiar las propiedades de los materiales y saber cuáles son mejor opción para usar en los detectores.

Eric Vázquez. Foto: Carlos Antonio Sánchez.

Este trabajo también se realiza en el IF por el equipo de Eric Vázquez anteriormente mencionado.

Las propiedades de los materiales se estudian con detectores de radiación, detectores de germanio, cristales de yoduro de sodio y contadores alfa de silicio; con ellos, se determina la cantidad de ruido de fondo que produce cada uno y se escoge aquél que produzca menor cantidad. Posteriormente, Vázquez y su equipo realizan el análisis de datos de los experimentos realizados en el laboratorio.

Asimismo, el equipo de Vázquez participa en el análisis de los datos que producen los experimentos de SNOLAB, desde determinar propiedades de la materia oscura por medio de componentes extragalácticas o estudiar diferentes interacciones de la materia oscura con la materia normal.

Esto último permitirá determinar la naturaleza de la misma, así como sus propiedades en caso de ser observado por alguno de los experimentos. Junto con los investigadores postdoctorales y estudiantes, Vázquez realiza análisis de datos en los experimentos PICO, SBC y DEAP-3600, además de diseñar prototipos y detectores en el laboratorio de instrumentación en el Instituto de Física de la UNAM.

Sobre la materia oscura

Muchos expertos mencionan que debió llamarse materia invisible en vez de materia oscura, ya que no es posible verla debido a que no emite ni absorbe luz, y aun así, es la materia más abundante en el Universo.

La revista Science afirma que, de todas las preguntas que tiene el ser humano por contestar en la ciencia durante este siglo, la número uno es de qué está compuesta la materia oscura. Al conocer esta información se sabría de qué está compuesto el Universo y eso significaría una nueva ventana de posibilidades hacia lo desconocido, no sólo nueva información por aplicar, sino preguntas nuevas que contestar.

“La materia oscura es un tipo de materia faltante en el Universo que nosotros observamos por la manifestación que tienen los objetos que sí podemos ver, como las galaxias y las estrellas; de acuerdo a cómo se muevan, nosotros podemos determinar la cantidad de materia oscura que hay en las galaxias y cúmulos de galaxias”, asegura Eric Vázquez.

Esta es una de las tantas evidencias a favor de la materia oscura, pues se ha establecido su existencia a partir de una gran cantidad de observaciones a muchas escalas.

Sabemos que existe porque afecta el movimiento de estrellas y galaxias en el espacio. El hecho de que sea tan imperceptible es lo que ha llevado a cientos de científicos en todo el mundo a proponer candidatos y desarrollar detectores cada vez más sofisticados para comprobar su hipótesis. Muchos están convencidos de que no pasará mucho tiempo para tener a un ganador.

Estela Garcés, Eric Vázquez y Adiv González. Foto: Carlos Antonio Sánchez.