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Es un misterio que ha desconcertado a los físicos durante más de 20 años. El experimento DAMA/LIBRA en el Laboratorio Nacional Gran Sasso (LNGS) cerca de L'Aquila, Italia, registró una fluctuación anual de destellos ópticos en su detector que parecía Un signo de materia oscura. Pero nadie pudo Repetir de una vez por todas los resultados.

Pero bajo una montaña en Gyeongseon, Corea del Sur, los investigadores están ampliando un experimento que finalmente podría poner fin a la controvertida afirmación sobre la materia oscura. En junio, los investigadores terminarán de instalar el detector renovado en unas instalaciones nuevas llamadas Yemilab. Hyun-soo Lee, físico del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en Daejeon, Corea del Sur, dice que si todo va según lo planeado, el experimento COSINE-100 actualizado estará en funcionamiento en agosto.

Materia oscura Se cree que representan el 85% de la masa del universo, pero como apenas interactúan con la materia ordinaria y nada con la luz, son muy difíciles de observar directamente. Muchos equipos de investigación han intentado vislumbrar la elusiva sustancia, pero sólo el experimento DAMA/LIBRA ha afirmado haberla visto en acción.

La perspectiva de confirmar la observación de la materia oscura ha captado la atención de los físicos. “Hay un gran esfuerzo en la comunidad de la materia oscura para reproducir este resultado”, dice Nicola Rossi, físico de partículas experimental en LNGS.

Manzanas y manzanas

Las observaciones de DAMA/LIBRA del patrón anual distintivo son consistentes con lo que los físicos esperarían con respecto a la posición relativa de la Tierra en la galaxia a lo largo del año. Mientras la Tierra orbita alrededor del Sol, el Sol orbita el agujero negro en el centro de la Vía Láctea. En junio, la Tierra atraviesa la Vía Láctea en la misma dirección que el Sol, acelerando su velocidad relativa a través de una niebla de materia oscura. Pero en diciembre, la Tierra se mueve con el flujo de materia oscura en dirección opuesta al Sol. Como era de esperar, el número de señales registradas por el detector DAMA/LIBRA es mayor en junio y menor en diciembre.

Algunos grupos han intentado reproducir los resultados de DAMA/LIBRA utilizando métodos y materiales similares en sus detectores, incluido el mismo tipo de cristales de yoduro de sodio que emiten pequeños destellos de luz cuando chocan con partículas subatómicas. Entre ellos se encuentra COSINE-100, que funciona desde 2016 en el antiguo laboratorio de Yemilab, el Laboratorio Subterráneo de Yangyang (Y2L) en Corea del Sur. Pero ninguno de ellos produjo resultados que coincidieran con los del experimento original, lo que plantea dudas sobre si la fluctuación anual en las señales se debe a algo más, como el propio detector o errores en el instrumento. Métodos de análisis usuario. “Este misterio sigue vigente 20 años después”, dice María Luisa Sarsa, física que trabaja en el experimento ANAIS-112, que también se centra en replicar los resultados de DAMA/LIBRA, en el Laboratorio subterráneo Canfranc en Huesca, España.

Pero para confirmar o descartar las afirmaciones de DAMA/LIBRA de una vez por todas, los experimentos deben coincidir lo más posible con el original, dice Henry Tsz-King Wong, físico de la Academia Sínica en Nangang, Taiwán. Aunque el detector COSINE-100 utiliza el mismo tipo de cristales de yoduro de sodio, contiene tres veces más radiación que la utilizada en DAMA/LIBRA, lo que puede alterar las débiles señales de posibles partículas de materia oscura y dificultar la producción de resultados definitivos. “La comunidad quiere desesperadamente algo que sea realmente comparable, manzanas idénticas”, dice Wong, que está trabajando en el proyecto. Experimento chino de materia oscura En el laboratorio subterráneo chino Jinping en Sichuan.

Lee dice que la prueba actualizada utilizará los mismos cristales que la prueba anterior COSINE-100, pero con algunas mejoras adicionales para aumentar su sensibilidad. El equipo también está desarrollando un lote de cristales de yoduro de sodio que serán más radiactivamente puros que DAMA/LIBRA para la siguiente fase del ensayo, COSINE-200. Con niveles más bajos de radiactividad, la esperanza es generar suficientes datos en un período de tiempo más corto para llegar a una conclusión más sólida sobre los resultados de DAMA/LIBRA, así como la búsqueda de materia oscura de baja masa, dice Lee, quien codirigió COSINE-100. Un detector de fondo bajo simplificaría todos los aspectos del análisis”.

Neutrinos

COSINE-100 se construirá en el nuevo Yemilab de 3.000 metros cuadrados. La instalación de 31 mil millones de wones (23 millones de dólares) está ubicada aproximadamente a un kilómetro bajo tierra y supera a Y2L en profundidad y volumen. Desde septiembre de 2023, los investigadores han trasladado todos los experimentos de Y2L a Yemilab, donde comenzarán su siguiente fase a finales de este año.

Yemilab también proporciona un entorno mejor protegido para detectar partículas esquivas además de la materia oscura. La instalación también buscará neutrinos, que son partículas sin carga que apenas tienen masa. La segunda fase del experimento, llamada AMoRE, buscará signos de dos neutrones que se descomponen en protones y electrones sin emitir un neutrino. Este proceso hipotético se llama desintegración doble beta sin neutrinos y, si se observa, demostraría que los neutrinos son sus propias antipartículas. este Puede proporcionar evidencia sobre su masa y explicar por qué hay más materia que antimateria en el universo, dice Yong-Duk Kim, físico del IBS y portavoz de AMoRE. El detector de neutrinos actualizado utilizará unos 160 kilogramos de cristales combinados con molibdeno-100, un isótopo radiactivo natural. Kim añade que cuando AMoRE-II entre en funcionamiento a finales de este año, será 100 veces más sensible que la versión anterior del experimento.

Independientemente de que los experimentos logren o no detectar los eventos raros que están buscando, aún plantearán más preguntas, dice Rossi. “Si ambas cosas conducen sólo a resultados nulos, entonces deberíamos empezar a repensar seriamente el universo”, afirma.