Instalación de XENON1T en la nave subterránea de Laboratori Nazionali del Gran Sasso. El edificio de tres pisos a la derecha alberga varios sistemas auxiliares. El criostato que contiene el LXeTPC se encuentra dentro del gran tanque de agua a la izquierda, al lado del edificio. Crédito:Roberto Corrieri y Patrick De Perio
"El mejor resultado en materia oscura hasta ahora, y recién comenzamos". Así es como los científicos detrás de XENON1T, ahora el experimento de materia oscura más sensible del mundo, comentó sobre su primer resultado de una breve ejecución de 30 días presentado hoy a la comunidad científica.
La materia oscura es uno de los componentes básicos del universo, cinco veces más abundante que la materia ordinaria. Varias mediciones astronómicas han corroborado la existencia de materia oscura, lo que lleva a un esfuerzo mundial para observar las interacciones de las partículas de materia oscura con la materia ordinaria en detectores extremadamente sensibles, lo que confirmaría su existencia y arrojaría luz sobre sus propiedades. Sin embargo, estas interacciones son tan débiles que han escapado a la detección directa hasta este punto, obligando a los científicos a construir detectores cada vez más sensibles. La colaboración XENON, que con el detector XENON100 lideró el campo durante años en el pasado, ahora está de nuevo en primera línea con el experimento XENON1T. El resultado de una primera ejecución corta de 30 días muestra que este detector tiene un nuevo nivel récord de radiactividad bajo, muchos órdenes de magnitud por debajo de los materiales circundantes en la Tierra. Con una masa total de aproximadamente 3200 kg, XENON1T es el detector más grande de este tipo jamás construido. La combinación de un tamaño significativamente mayor con un fondo mucho más bajo implica un excelente potencial de descubrimiento de materia oscura en los próximos años.
La colaboración XENON está formada por 135 investigadores de EE. UU., Alemania, Italia, Suiza, Portugal, Francia, Los países bajos, Israel, Suecia y Emiratos Árabes Unidos. El último detector de la familia XENON ha estado en funcionamiento científico en el laboratorio subterráneo de LNGS desde el otoño de 2016. Lo único que ve cuando visita el sitio experimental subterráneo ahora es un gigantesco tanque de metal cilíndrico lleno de agua ultrapura para proteger el detector en su centro, y una de tres pisos de altura, edificio transparente repleto de equipos para mantener el detector en funcionamiento.
Científicos que montan la cámara de proyección de tiempo XENON1T. Crédito:Enrico Sacchetti
El detector central XENON1T, una cámara de proyección de tiempo de xenón líquido (LXeTPC), no es visible. Se encuentra dentro de un criostato en el medio del tanque de agua, completamente sumergido para protegerlo tanto como sea posible de la radiactividad natural en la caverna. El criostato mantiene el xenón a una temperatura de -95 ° C sin congelar el agua circundante. La montaña sobre el laboratorio protege aún más al detector, previniendo las perturbaciones de los rayos cósmicos. Pero protegerse del mundo exterior no es suficiente, ya que todos los materiales de la Tierra contienen pequeños rastros de radiactividad natural. Por lo tanto, se tuvo mucho cuidado para encontrar, seleccionar y procesar los materiales del detector para lograr el contenido radiactivo más bajo posible. Laura Baudis, profesor de la Universidad de Zúrich y profesor Manfred Lindner del Instituto Max-Planck de Física Nuclear de Heidelberg, enfatizar que esto permitió a XENON1T lograr un "silencio récord, "que es necesario para escuchar la voz muy débil de la materia oscura.
Una interacción de partículas en el xenón líquido produce pequeños destellos de luz. Esto es lo que los científicos de XENON están registrando y estudiando para inferir la posición y la energía de la partícula que interactúa, y si podría ser o no materia oscura. La información espacial permite a los investigadores seleccionar las interacciones que ocurren en el núcleo central de una tonelada del detector.
Los límites de la sección transversal de nucleón-WIMP independientes del espín son una función de la masa de WIMP al nivel de confianza del 90% (negro) para esta ejecución de XENON1T. En verde y amarillo están las bandas de sensibilidad 1 y 2σ. Resultados de LUX (rojo), PandaX-II (marrón), y XENON100 (gris) se muestran como referencia. Crédito:Universidad Purdue
El xenón circundante protege aún más al objetivo del núcleo de xenón de todos los materiales que ya tienen pequeños contaminantes radiactivos supervivientes. A pesar de la brevedad de la carrera científica de 30 días, la sensibilidad de XENON1T ya ha superado la de cualquier otro experimento en el campo, sondeando un territorio inexplorado de materia oscura. "Los WIMP no aparecieron en esta primera búsqueda con XENON1T, pero tampoco los esperábamos tan pronto, "dice Elena Aprile, Profesor de la Universidad de Columbia y vocero del proyecto. "La mejor noticia es que el experimento sigue acumulando datos excelentes, lo que nos permitirá probar muy pronto la hipótesis WIMP en una región de masa y sección transversal con átomos normales como nunca antes. Una nueva fase en la carrera para detectar materia oscura con detectores masivos de fondo ultrabajo en la Tierra acaba de comenzar con XENON1T. Estamos orgullosos de estar a la vanguardia de la carrera con este increíble detector, el primero de su tipo ".
