Invisible, imperceptible y, sin embargo, mucho más común que la materia ordinaria, la materia oscura constituye un asombroso 85 por ciento de la masa del universo. Los físicos están rastreando lenta pero constantemente la naturaleza de esta sustancia no identificada. El último resultado del experimento PICO establece algunos de los mejores límites hasta ahora sobre las propiedades de ciertos tipos de materia oscura.

PICO busca WIMP (partículas masivas que interactúan débilmente), un tipo hipotético de partícula de materia oscura que interactuaría solo en raras ocasiones, lo que los hace difíciles de encontrar.

En este juego cósmico extremo de "¿Dónde está Wally?" el más nuevo, la mayoría de los detectores tecnológicamente complejos suelen considerarse los más prometedores. Muchos de estos experimentos de materia oscura se basan en cientos, si no miles, de canales eléctricos y requieren racks de servidores informáticos solo para almacenar los datos que recopilan.

Pero PICO se basa en un fenómeno simple y un detector bastante discreto:burbujas, y una cámara de burbujas. En su centro, El aparato de PICO es simplemente un frasco de vidrio lleno de líquido en el que se pueden formar burbujas y ser monitoreadas por una cámara de video.

Reinventando la burbuja

PICO tuvo sus inicios en 2005 como una colaboración entre la Universidad de Chicago y el Fermilab del Departamento de Energía de EE. UU. (El experimento comenzó con un nombre diferente, COUPP, y luego se fusionó con el experimento PICASSO para formar PICO.) En los primeros días del experimento, gran parte del trabajo de los científicos del Fermilab se dedicó simplemente al desarrollo de la tecnología de la cámara de burbujas. Porque si bien la cámara de burbujas no era nueva (se inventó en 1952), la tecnología también había estado fuera de uso durante 20 años.

Las cámaras de burbujas están diseñadas para convertir la energía depositada por una partícula subatómica en una burbuja que se puede observar. En un líquido como agua a temperatura ambiente, las colisiones de partículas no hacen nada perceptible. Para lograr sensibilidad a las partículas, el fluido dentro de las cámaras de burbujas se calienta justo por encima de su punto de ebullición, por lo que la más mínima interrupción podría hacer que el líquido hierva, creando una burbuja.

"De hecho, puedes mirar la cámara y ver cómo se forma la burbuja, "dijo el físico del Fermilab Hugh Lippincott, colaborador de PICO. En experimentos típicos de física de partículas, la información sobre las interacciones de las partículas se proporciona únicamente a través de interfaces informáticas. En PICO, las interacciones son visibles a simple vista como burbujas.

"Es genial presionar tu cara contra el cristal y simplemente ... ¡pop!" dijo el físico del Fermilab Andrew Sonnenschein, también colaborador de PICO.

Si existen WIMP, ocasionalmente deberían interactuar con el fluido en la cámara de burbujas de PICO, creando una cierta cantidad de burbujas cada año.

Fue un regreso a la vieja escuela física de partículas de baja tecnología cuando los colaboradores de Fermilab comenzaron a diseñar la cámara de burbujas PICO, que está instalado a 2 kilómetros bajo tierra en el laboratorio canadiense SNOLAB. Las cámaras de burbujas de décadas pasadas se habían utilizado para rastrear millones de partículas cargadas como protones y electrones, que dejaría mucho tiempo, pistas sinuosas en el fluido.

"Las viejas cámaras de burbujas tuvieron un gran recorrido, pero terminó en los 80, ", Dijo Sonnenschein." Fueron demasiado lentos para mantenerse al día con experimentos que tenían velocidades de datos mucho mayores ".

Como resultado, Las cámaras de burbujas se eliminaron gradualmente cuando los modernos colisionadores de partículas como el Tevatron de Fermilab y el Gran Colisionador de Hadrones del CERN se hicieron cargo. Usando electrónica compleja, Los detectores de estos colisionadores pudieron recopilar millones de veces más datos que las cámaras de burbujas.

De hecho, Las cámaras de burbujas habían estado fuera de servicio durante tanto tiempo que los fundadores de PICO tuvieron que volver a la mesa de dibujo, volver a algunos de los artículos de los pioneros originales de la cámara de burbujas, y reinventar eficazmente la tecnología para detectar la materia oscura.

"Después de que los primeros diseñadores de cámaras de burbujas descubrieron cómo hacer que funcionen para rastrear partículas de alta energía con rastros de burbujas, los ingredientes básicos de la receta no cambiaron. Buscamos partículas de baja energía que solo produzcan burbujas individuales, tantas cosas son diferentes "Dijo Sonnenschein.

El nuevo diseño para permitir que las cámaras de burbujas detecten la materia oscura aún conserva muchos de los elementos de los detectores de cámaras de burbujas más antiguos.

"Lo que hace que PICO sea interesante es que estamos usando un diseño de detector relativamente simple en comparación con los otros experimentos de materia oscura, "dijo Dan Baxter, estudiante de posgrado de Northwestern University y miembro del Fermilab que fue el último coordinador de carreras de PICO.

A diferencia de las cámaras de burbujas tradicionales con detección de partículas cargadas, La cámara de burbujas de PICO está diseñada para buscar esquivos, WIMP con carga neutra que pueden tardar años en aparecer.

"Lo está usando de una manera diferente, "Dijo Lippincott." En los viejos tiempos, nunca esperaría usar una cámara de burbujas simplemente dejándola allí sin que suceda nada ".

Una burbuja WIMPy

La fuerza débil que gobierna los WIMP hace honor a su nombre. Para comparacion, son aproximadamente 10, 000 veces más débil que la fuerza electromagnética. Partículas que interactúan a través de la fuerza débil, como WIMP y neutrinos, no interactúes a menudo, haciéndolos difíciles de capturar. Pero incluso un WIMP de movimiento lento puede depositar suficiente energía para ser visible en un detector.

Calibrando cuidadosamente el calor y la presión en el fluido de la cámara de burbujas de PICO, los científicos pudieron hacer que el detector fuera sensible solo a las interacciones de partículas masivas como los WIMP. Los investigadores de PICO pudieron evitar gran parte del trasfondo estándar, como señales de electrones y rayos gamma, que afectan a otros detectores de materia oscura.

Dominar la tecnología para hacer esto tomó años. Los predecesores de PICO comenzaron como poco más que tubos de ensayo llenos de algunas cucharaditas de líquido. Gradualmente, las vasijas se hicieron más grandes. Luego, los investigadores agregaron monitoreo de sonido a sus detectores para capturar los "estallidos" de las burbujas creadas por los WIMP.

"Vemos un sonido chirrido, Sonnenschein dijo:refiriéndose a las burbujas que estallan. "Resulta que si miras el contenido de frecuencia del sonido chirrido y la amplitud, se puede notar la diferencia entre diferentes tipos de interacciones de partículas ".

Si un WIMP creó una burbuja, PICO no solo podría ver evidencia de materia oscura, pero escúchalo también. Usando esta tecnología acústica, los investigadores pudieron vetar de manera efectiva burbujas que no podrían haber sido creadas por WIMP, permitiéndoles eliminar el fondo.

Como resulta, PICO no vio burbujas de WIMP, por lo que pudieron poner límites tanto a las masas de WIMP como a la probabilidad de que interactúen con la materia, dos factores que influyen en la cantidad de burbujas que producen las WIMP.

Poner límites a estos factores (masa y tasa de interacción) puede decirles a los físicos dónde deben buscar la materia oscura a continuación.

Donde ninguna burbuja ha ido antes

"No sabemos qué es la materia oscura, por lo que hay muchas teorías sobre qué podría ser y cómo podría interactuar con la materia normal, "Dijo Baxter.

La variedad de teorías requiere una variedad de experimentos diferentes. Otros experimentos buscan diferentes fuentes de materia oscura, como partículas llamadas axiones o neutrinos estériles. La búsqueda de PICO de WIMP tiene un enfoque específico en los llamados WIMP dependientes de spin.

"No sabemos qué son los WIMP, "Dijo Lippincott." Pero, en términos generales, sus interacciones con la materia normal se dividirían en dos categorías:una que no es sensible al giro del núcleo, y uno que lo es ".

Girar, como cargo, es una cantidad intrínseca transportada por partículas y núcleos atómicos. PICO busca principalmente interacciones WIMP que sean sensibles al giro del núcleo. Para mejorar la resolución de estas interacciones, los investigadores utilizan un líquido con un líquido que contiene flúor, que tiene un giro nuclear relativamente grande. Con este método, PICO aumentó su capacidad para ver WIMP sensibles a los efectos en un factor de 17.

Esencialmente, El resultado de PICO es que estos WIMP sensibles a los espines, si existen, debe interactuar con muy poca frecuencia; de lo contrario, PICO habría visto más burbujas.

Este resultado, que es, con mucho, el mejor hasta ahora para WIMP sensibles a los espines que interactúan con protones, no descarta la existencia de WIMP. Quedan muchos otros lugares para buscar materia oscura, pero gracias a PICO, menos lugares para esconderse.

La colaboración PICO tiene actualmente una propuesta para la Fundación de Innovación de Canadá para construir la próxima generación de la cámara PICO, y físicos como Lippincott y Sonnenschein siguen siendo optimistas debido al potencial de expansión de la tecnología.

"Son bastante baratos una vez que se realiza la ingeniería, principalmente porque son muy simples mecánicamente. Los bits complicados no son muy complicados, "Hay una buena posibilidad de que las cámaras de burbujas continúen desempeñando un papel en la búsqueda de materia oscura", dijo Lippincott.