En una mina de oro abandonada a una milla debajo del plomo, Dakota del Sur, el cosmos se calma lo suficiente como para escuchar potencialmente los débiles susurros del material más elusivo del universo:la materia oscura.

Protegido del diluvio de rayos cósmicos que constantemente bañan la superficie de la Tierra, y limpiado de metales y gases radiactivos ruidosos, la mina, los científicos piensan, será el escenario ideal para el experimento de materia oscura más sensible hasta la fecha. Conocido como LUX-ZEPLIN, el experimento se lanzará en 2020 y escuchará una rara colisión entre una partícula de materia oscura con 10 toneladas de xenón líquido.

Diez científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison están involucrados en el diseño y prueba del detector, y forman parte de un equipo de más de 200 investigadores de 38 instituciones en cinco países que trabajan en el proyecto. Este mes, el Departamento de Energía aprobó el procedimiento con las etapas finales de ensamblaje y construcción de LZ en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur, con un costo total del proyecto de $ 55 millones. El apoyo adicional proviene de colaboradores internacionales en el Reino Unido, Corea del Sur y Portugal, así como la Autoridad de Ciencia y Tecnología de Dakota del Sur. El objetivo de los investigadores es llevar el experimento en línea lo más rápido posible para competir en una carrera global para ser el primero en detectar la materia oscura.

En la década de 1930, como los astrónomos estudiaron la rotación de galaxias distantes, notaron que no había suficiente materia:estrellas, planetas gas caliente:para mantener unidas las galaxias mediante la gravedad. Tenía que haber algo de masa extra que ayudara a unir todo el material visible, pero era invisible desaparecido.

Materia oscura, los científicos creen, comprende esa masa faltante, contribuyendo con un poderoso contrapeso gravitacional que evita que las galaxias se separen. Aunque hasta ahora la materia oscura ha demostrado ser indetectable, puede haber mucho, unas cinco veces más que la materia normal.

"Las partículas de materia oscura podrían estar aquí en la habitación fluyendo por tu cabeza, tal vez de vez en cuando toparse con uno de sus átomos, "dice Duncan Carlsmith, profesor de física en UW – Madison.

Una explicación propuesta para la materia oscura es la interacción débil de partículas masivas, o WIMP, partículas que normalmente pasan sin ser detectadas a través de la materia normal pero que pueden, en ocasiones, chocar con él. El experimento LZ, y proyectos similares en Italia y China, están diseñados para detectar, o descartar, WIMP en la búsqueda para explicar este material fantasmal.

El detector está configurado como una campana enorme capaz de sonar en respuesta al toque más ligero de una partícula de materia oscura. Ubicado dentro de dos cámaras exteriores diseñadas para detectar y eliminar partículas contaminantes, se encuentra una cámara llena con 10 toneladas de xenón líquido. Si un trozo de materia oscura se encuentra con un átomo de xenón, el xenón chocará con sus vecinos, produciendo un estallido de luz ultravioleta y liberando electrones.

Momentos después, los electrones libres excitarán el gas xenón en la parte superior de la cámara y liberarán un segundo, ráfaga de luz más brillante. Más de 500 tubos fotomultiplicadores estarán atentos a estas señales, que juntos pueden discriminar entre una partícula contaminante y verdaderas colisiones de materia oscura.

Kimberly Palladino, profesor asistente de física en UW – Madison, y el estudiante graduado Shaun Alsum fueron parte del equipo de investigación de LUX, el predecesor de LZ, que estableció récords en la búsqueda de WIMP. Basándose en su experiencia del experimento anterior, Palladino, Alsum, El estudiante graduado Jonathan Nikoleyczik e investigadores universitarios están realizando simulaciones de colisiones de materia oscura y creando un prototipo del detector de partículas para aumentar la sensibilidad de LZ y descartar de manera más estricta las señales producidas por la materia ordinaria.

El proyecto LZ está "haciendo ciencia de la forma en que quieres hacer ciencia, "dice Palladino, explicando cómo la colaboración proporciona el tiempo, financiación y experiencia necesarios para abordar cuestiones fundamentales sobre la naturaleza del universo.

El éxito de LZ depende en parte de la exclusión de materiales contaminantes, incluidos los productos químicos reactivos y trazas de elementos radiactivos, desde el xenón, que se basa en la destreza de la ingeniería proporcionada por el Laboratorio de Ciencias Físicas de UW-Madison. Jeff Cherwinka, ingeniero jefe del proyecto LZ y un ingeniero mecánico de PSL, supervisa el montaje del detector de materia oscura en una instalación especial depurada de radón radiactivo y está diseñando un sistema para eliminar continuamente el gas que se filtra fuera del revestimiento de la cámara de xenón. Junto con el ingeniero de PSL Terry Benson, Cherwinka también está diseñando el sistema de almacenamiento de xenón para evitar que se filtren elementos radiactivos durante el transporte y la instalación.

"Uno de los puntos fuertes de la universidad es que tenemos la experiencia en ingeniería y fabricación para contribuir a estos proyectos a gran escala, ", dice Cherwinka. Ayuda a UW a ganar más participación en estos proyectos".

Mientras tanto, Carlsmith y Sridhara Dasu, también profesor de física de la UW-Madison, están diseñando sistemas computacionales para administrar y analizar los datos que salen del detector con el fin de estar listos para escuchar las colisiones de materia oscura tan pronto como LZ se encienda en 2020. Una vez en funcionamiento, LZ se acercará rápidamente al límite fundamental de su capacidad de detección, el ruido de fondo de las partículas que salen del sol.

"En un año, si no hay WIMP, o si interactúan demasiado débilmente, no veremos nada, ", dice Carlsmith. Se espera que el experimento funcione durante al menos cinco años para confirmar cualquier observación inicial y establecer nuevos límites sobre las posibles interacciones entre los WIMP y la materia ordinaria.

Otros experimentos, incluidos los proyectos del Centro de Astrofísica de Partículas IceCube de Wisconsin IceCube, HAWC, y CTA, están buscando las firmas de eventos de aniquilación de materia oscura como métodos independientes e indirectos para investigar la naturaleza de la materia oscura. Además, Los científicos de UW-Madison están trabajando en el Gran Colisionador de Hadrones, buscando evidencia de que la materia oscura se produce durante las colisiones de partículas de alta energía. Esta combinación de esfuerzos brinda la mejor oportunidad hasta ahora para descubrir más sobre la naturaleza de la materia oscura, y con él la evolución y estructura de nuestro universo.