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El pasado mes de febrero, el Instituto de Física (IF) de la UNAM fue el sitio de reunión de la colaboración internacional DEAP (por las siglas de Dark matter Experiment using Argon Pulse-shape discrimination), un grupo de trabajo que reúne a más de 100 investigadores de al menos 18 instituciones, de regiones que incluyen Canadá, Estados Unidos y Europa, con el propósito de detectar de forma directa la materia oscura, a través de uno de los experimentos con mayor inversión monetaria del mundo, el detector DEAP-3600.

El Dr. Eric Vázquez Jáuregui, investigador del departamento de Física Nuclear y Aplicaciones de la Radiación del Instituto de Física, quien es parte de esta colaboración, fue el anfitrión de esta reunión, cuyo propósito radica en el reforzamiento de los lazos colaborativos desde la UNAM, con miras a visibilizar ante la comunidad internacional el trabajo de investigación en materia oscura que se realiza desde estas instalaciones.

“Desde el IF realizamos modestas contribuciones, pero significativas, en simulaciones y análisis de datos, además de participar como coordinadores en algunas áreas. Mario Alpízar Venegas, estudiante de doctorado, es coordinador de la base de datos. De mi parte, este año fui presidente de la mesa científica de la colaboración y soy coordinador del grupo de designación de participantes en conferencias”, comentó el investigador que tiene la detección directa de materia oscura como una línea de trabajo.

En este sentido, el Dr. Vázquez Jáuregui agregó que el trabajo que se realiza en la UNAM consiste en la capacitación experimental de estudiantes en la física de astropartículas. “Al formar parte de la colaboración tenemos acceso libre a los datos del experimento, con el objetivo de realizar análisis no sólo de búsqueda de materia oscura, si no de otras áreas de la ciencia, pues DEAP-3600 es el experimento más grande del mundo que utiliza argón como material sensible”. DEAP-3600 consiste de un envase de acrílico ultrapuro de 1.7 metros de diámetro que contiene 3.3 toneladas de argón líquido y está rodeado por 255 sensores de luz (tubos fotomultiplicadores). El detector se encuentra sumergido de un tanque cilíndrico lleno de agua de 7 metros de altura y 7 metros de diámetro dentro del laboratorio SNOLAB a 2 kilómetros de profundidad para protegerlo de la radiación ambiental y los rayos cósmicos.

A su vez, el Dr. Mark Boulay, investigador de la Universidad de Carleton, en Canadá, y coordinador del experimento, recordó que DEAP es una colaboración que involucra a personas de 9 países distintos, lo que representó un reto durante la pandemia, pero que a su vez fomenta un trabajo colaborativo enriquecedor por el nivel de las discusiones en los análisis realizados conforme avanza la investigación sobre los componentes de la materia oscura.

Una de las hipótesis actuales en torno a las características de la materia oscura es que ésta se compone de partículas masivas que interactúan débilmente (WIMPs, del inglés Weakly Interacting Massive Particles), de las que, a partir de sus efectos gravitacionales, se puede inferir la existencia de la misma. Gracias a las observaciones realizadas entre 2016 y 2020 con el uso del detector DEAP-3600, los investigadores pudieron eliminar la noción de la existencia de ciertas partículas de materia oscura en una variedad de valores de masa y de probabilidad de interacción, lo que limita las posibilidades de descripción de la composición de la materia oscura. Por otro lado, en una publicación de 2022 en la revista Physical Review Letters, el equipo anunció haber conseguido la primera detección directa de restricción en las partículas de materia oscura con masa en la escala de Planck, con lo que se excluyeron otros posibles candidatos, diferentes a las WIMPs.

“La búsqueda de partículas masivas súper pesadas arrojó luz en el potencial de la física a realizar por DEAP-3600 y, más general, de detectores subterráneos diseñados para la búsqueda de WIMPs, como se ha visto por el creciente número de experimentos que están investigando su sensibilidad en la frontera de lo súper pesado, inspirados por nuestro trabajo”, mencionó la investigadora postdoctoral Michela Lai, de la Universidad de Cagliari, en Italia, quien se encarga de la coordinación del análisis de datos en la colaboración. “Mientras que la detección de WIMPs sigue siendo nuestro objetivo principal, otras investigaciones también han florecido en paralelo con la nuestra, en el camino de la búsqueda de partículas masivas super pesadas, indagando señales que depositan hasta 10 veces más la energía esperada por WIMPs en argón”.

A esto, el Dr. Vázquez Jáuregui contextualizó el momento en el que se encuentra la búsqueda de materia oscura con detectores de argón, al calificarla como “consolidada”, además de sumarse a la idea de que la colaboración DEAP lidera el área con los mejores resultados para experimentos basados en este elemento químico. “En este momento estamos realizando modificaciones y mejoras al detector, con el fin de iniciar nuestra segunda toma de datos”, mencionó el investigador del IF.

Fruto de la reunión en el IF, se planteó el futuro del trabajo de DEAP. Ante esto, el Dr. Vázquez Jáuregui mencionó que “las perspectivas son explorar espacios de parámetros nuevos en la búsqueda de materia oscura, nuevos candidatos y en general estudios de física nuclear y de partículas”, junto con la formación de estudiantes e investigadores. De manera particular, el Dr. Boulay dijo que la colaboración buscará trabajar en establecer restricciones para conocer las masas de las partículas conformantes, así como las interacciones existentes.

Tanto el Dr. Vázquez como el Dr. Boulay concordaron en que la investigación se verá robustecida con la investigación a realizar en detectores más potentes. “DEAP-3600 dictará la pauta para futuros experimentos con argón, como DarkSide-20k y ARGO, que utilizarán mayores cantidades de este elemento”, mencionó el académico del IF. Cabe destacar que el detector DarkSide-20k será aproximadamente 10 veces mayor y ARGO lo será 100 más grande que DEAP-3600, es decir, poco más de 300 toneladas de argón.

Por su parte, la Dra. Lai comentó que el futuro del trabajo tiene la posibilidad de continuar por dos caminos. “Por un lado, podemos extender nuestros resultados a más modelos de materia oscura que los dos presentados en sus publicaciones. Por otro lado, podemos extender nuestro límite hacia secciones transversales más bajas que las ya publicadas. Personalmente, estoy atraída por esta primera posibilidad, pues implicaría caracterizar a las señales de materia oscura en términos de variables que usualmente no utilizamos y cuyos valores se rechazan en las búsquedas de WIMPs, lo cual es muy inusual en las búsquedas de materia oscura”, mencionó.

Asimismo, la académica se mencionó orgullosa de la investigación realizada hasta ahora, en especial por “la cantidad de esfuerzo realizado, a niveles de hardware y software, es impresionante una vez que es comparado con el número de personas involucradas en el proyecto”. Esto en el marco de un experimento en el que participan más de 100 personas de distintas partes del mundo, a las que las reuniones, los chats asíncronos, así como las reuniones temporales mantienen una comunicación continua, en atención a las opiniones y necesidades de los colaboradores. “La clave es mantener una comunicación activa, eficiente e inclusiva entre todos los grupos de investigadores”, apuntó.