Hace casi 20 años, el experimento DAMA / LIBRA en el Laboratorio Nacional Gran Sasso de Italia — LNGS comenzó a publicar datos que mostraban que había detectado una modulación de señal producida por una interacción con el halo de materia oscura de la Vía Láctea.

Se cree que la materia oscura constituye aproximadamente el 27 por ciento del universo conocido, con la materia ordinaria representando sólo el 4 por ciento. Se cree que el 69 por ciento restante está compuesto por energía oscura. Debido a que la materia oscura interactúa débilmente con la materia normal, su presencia hasta ahora se ha inferido solo de los efectos gravitacionales en cuerpos visibles como las estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias.

Según el modelo más aceptado, el movimiento combinado de la Tierra, el sol y la propia galaxia dan como resultado un viento de materia oscura para un observador en la Tierra; más específicamente, un viento de partículas masivas o WIMP que interactúan débilmente, partículas hipotéticas que se cree que constituyen materia oscura.

Durante la órbita anual de la Tierra alrededor del sol, Las señales de la interacción del detector con los WIMP aumentan cuando el planeta se mueve en la dirección opuesta al viento y disminuyen cuando ambos se mueven en la misma dirección. La fluctuación tiene forma de coseno.

El personal de DAMA / LIBRA afirma que ha detectado señales a tasas que varían según una onda cosenoidal durante el año y que corresponden a una firma de materia oscura. El problema es que ningún otro experimento ha confirmado dicha firma desde que se anunció por primera vez. Cabe destacar que otros experimentos utilizan diferentes materiales y técnicas analíticas.

Para verificar la discrepancia entre los datos de DAMA / LIBRA y los datos de otros experimentos y buscar evidencia sólida de materia oscura, COSINE-100 se construyó a 700 metros bajo tierra en el Laboratorio Subterráneo de Yangyang — Y2L en Corea del Sur.

En diciembre de 2018 se publicó en la revista un artículo que presenta los resultados de los primeros 59,5 días de datos de COSINE-100. Naturaleza .

Nelson Carlin Filho, Profesor del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP) y dos supervisados ​​constituyen la participación brasileña en la colaboración internacional COSINE-100. "Los resultados de los primeros 59,5 días de COSINE-100 no confirmaron los datos de DAMA / LIBRA. Los resultados obtenidos no corresponden a una firma de WIMP, ", dijo. Carlin enfatizó que este hallazgo negativo es particularmente importante porque tanto DAMA / LIBRA como COSINE-100 usan detectores hechos de cristales de yoduro de sodio (Nal)". Es el primer hallazgo publicado para un detector que comprende este material con tamaño y sensibilidad suficientes para investigar la región de señales DAMA / LIBRA, " él dijo.

"No estamos diciendo que los investigadores de DAMA / LIBRA estuvieran equivocados. Es posible que hayan capturado una modulación periódica en señales reales. Sin embargo, a menos que el modelo de materia oscura se modifique significativamente, Es muy poco probable que las señales se atribuyan a interacciones con WIMP. En cualquier evento, nuestro trabajo apenas comienza. Se necesitarán varios años de datos antes de que la modulación anual reclamada por DAMA / LIBRA pueda ser totalmente confirmada o refutada ".

El detector COSINE-100 está compuesto por ocho cristales de yoduro de sodio dopados con talio con una masa total de 106 kg. Cada cristal está acoplado a dos tubos fotomultiplicadores para medir la cantidad de energía depositada en el cristal. Toda la matriz está inmersa en 2, 200 litros de centelleador líquido y rodeado de cobre, Paneles centelleadores de plomo y plástico.

El objetivo de todo este blindaje, así como la decisión de instalar el detector a 700 metros bajo tierra, es reducir las perturbaciones causadas por los rayos cósmicos (muones), Radiación cósmica de fondo (fotones que quedan del universo primordial, detectado en la banda de microondas), y partículas emitidas por los materiales de los que está hecho el detector.

"La probabilidad de observar interacciones entre las partículas de materia oscura y el material del detector es mínima. Aparte del blindaje, es importante analizar la forma de las señales para descartar contribuciones de fondo, "Dijo Carlin.

Basado en un tratamiento estadístico altamente sofisticado utilizando el modelo estándar para el halo de materia oscura, con simulaciones de Monte Carlo y otros recursos, COSINE-100 definió una curva considerada el "límite de exclusión" para las interacciones entre los WIMP y los núcleos en el material del detector.

Este límite corroboró y afinó los límites establecidos por experimentos previos. La curva se trazó utilizando un sistema de coordenadas cartesiano bidimensional. Las secciones transversales de dispersión de nucleones WIMP se muestran en el eje Y, representar de forma simplista la probabilidad de interacciones, mientras que la masa WIMP se muestra en el eje X.

Cualquier evento cuyas coordenadas se puedan trazar por debajo del límite de exclusión es una interacción candidata WIMP-nucleón. Cualquier evento situado por encima de él no cumple las condiciones necesarias para una interacción de acuerdo con el modelo.

"Las señales DAMA / LIBRA están por encima del límite de exclusión. Tenga en cuenta que, además de utilizar detectores hechos del mismo material que DAMA / LIBRA [cristales de yoduro de sodio], COSINE-100 también utilizó técnicas de selección de eventos similares. Esto minimizó las discrepancias en los resultados debido a las diferencias en los experimentos. No encontramos materia oscura y descubrimos que las medidas DAMA / LIBRA no son consistentes con el modelo estándar para el halo de materia oscura, "Dijo Carlin.

Teorías sobre la materia oscura

Ahora existe un amplio consenso en la comunidad científica de que existe materia oscura. La primera evidencia se encontró en 1933 en estudios de velocidades de rotación galáctica realizados por el astrónomo suizo Fritz Zwicky (1898-1974).

Zwicky se dio cuenta de que las velocidades de rotación galáctica eran más rápidas de lo que deberían haber sido de acuerdo con la masa luminosa observada y propuso que la contribución gravitacional de otro tipo de materia, que llamó "dunkle materie" ("materia oscura" en alemán), debe estar afectando estas velocidades.

En los 1970s, La astrónoma estadounidense Vera Rubin (1928-2016) confirmó la hipótesis de Zwicky en un estudio sistemático de las velocidades de rotación galáctica. Los rigurosos cálculos de Rubin, confirmado por investigaciones posteriores, mostró que las galaxias en cuestión deben contener al menos de cinco a diez veces más materia oscura que materia normal.

Hoy dia, basado en velocidades de rotación galáctica y otras evidencias como lentes gravitacionales, propuesto por primera vez por Einstein, y la radiación de microondas de fondo, las proporciones aceptadas para la composición del universo son aproximadamente un 4 por ciento de materia normal, 27 por ciento de materia oscura y 69 por ciento de energía oscura.

Si la existencia de materia oscura es ampliamente aceptada; el punto ahora es determinar de qué está hecho. El modelo basado en WIMP sigue siendo el modelo más aceptado. Se cree que estas partículas interactúan con la materia normal solo a través de la gravedad y la fuerza nuclear débil. Presumiblemente, esta es la razón por la que no se han detectado de manera consistente. La falta de detección de WIMP ha llevado a los científicos a proponer alternativas como axiones y fotones oscuros.

"No hay nada que impida que la materia oscura esté formada por varios elementos diferentes, "Dijo Carlin." Queda mucho trabajo por hacer. En nuestro caso, COSINE-100 todavía está dando sus primeros pasos. El siguiente paso, que es muy importante, es intentar reproducir la modulación anual o demostrar que no se puede reproducir. En realidad, esto está en curso en este momento. También estamos preparando la fase dos del experimento, COSENO-200, con 200 kg de cristales, para ser instalado en un sitio diferente en Corea del Sur ".