La tecnología propuesta hace 30 años para buscar materia oscura finalmente está viendo la luz.

Los científicos están utilizando sensores innovadores, llamados skipper CCD (abreviatura de dispositivos de carga acoplada) en un nuevo tipo de proyecto de detección de materia oscura. Los científicos utilizarán el proyecto, conocido como SENSEI, para encontrar las partículas de materia oscura más ligeras que alguien haya buscado.

Materia oscura, llamada así porque no absorbe, reflejan o emiten luz:constituye el 27 por ciento del universo, pero el jurado aún está deliberando sobre de qué está hecho. El principal sospechoso teórico del componente principal de la materia oscura es una partícula que los científicos han denominado descriptivamente la partícula masiva débilmente interactiva, o WIMP.

Pero dado que ninguna de estas partículas pesadas, que se espera que tengan una masa 100 veces mayor que la de un protón, han aparecido en experimentos, puede que sea hora de que los investigadores piensen en pequeño.

"Existe un interés creciente en buscar diferentes tipos de materia oscura que sean aditivos para el modelo WIMP estándar, "dijo el científico del Fermilab Javier Tiffenberg, líder de la colaboración SENSEI. "Ligero, o de baja masa, la materia oscura es una posibilidad muy convincente, y por primera vez la tecnología está ahí para explorar estos candidatos ".

La materia oscura de baja masa dejaría una pequeña Firma difícil de ver cuando choca con material dentro de un detector. La captura de estas escurridizas partículas requiere un maestro detector de materia oscura:SENSEI.

Sintiendo lo invisible

En los experimentos tradicionales de materia oscura, los científicos buscan una transferencia de energía que ocurriría si las partículas de materia oscura chocaran con un núcleo ordinario, pero SENSEI es diferente. Busca interacciones directas de partículas de materia oscura que chocan con electrones.

"Esa es una gran diferencia:en este caso, se transfiere mucha más energía porque un electrón es muy ligero en comparación con un núcleo, ", Dijo Tiffenberg.

Si la materia oscura tiene poca masa, mucho más pequeña de lo que sugiere el modelo WIMP, entonces sería muchas veces más liviana que un núcleo atómico. Entonces, si chocara con un núcleo, la transferencia de energía resultante sería demasiado pequeña, dinos algo. Sería como lanzar una pelota de ping pong a una roca:el objeto pesado no va a ninguna parte, y no habría ninguna señal de que los dos hubieran entrado en contacto.

Un electrón no es tan pesado como un núcleo atómico. De hecho, un solo protón tiene aproximadamente 1, 836 veces más masa que un electrón. De modo que la colisión de una partícula de materia oscura de baja masa con un electrón tiene muchas más posibilidades de dejar una marca:más bola de boliche que la piedra del núcleo.

Aún así, el electrón sigue siendo una bola de boliche en comparación con la partícula de materia oscura de baja masa. Una transferencia de energía entre los dos dejaría solo un destello de energía, uno demasiado pequeño para que la mayoría de los detectores lo detecten o fácilmente eclipsado por el ruido en los datos. Hay un pequeño intercambio de energía, pero, si el detector no es lo suficientemente sensible, podría parecer que no pasa nada.

"La bola de boliche se moverá una cantidad muy pequeña, "dijo el científico del Fermilab Juan Estrada, colaborador de SENSEI. "Se necesita un detector muy preciso para ver esta interacción de partículas ligeras con algo mucho más pesado".

Ahí es donde entran en juego los sensibles CCD de patrón de SENSEI:captarán esa pequeña transferencia de energía.

Los CCD se han utilizado para otros experimentos de detección de materia oscura, como el experimento Dark Matter in CCDs (o DAMIC) que opera en SNOLAB en Canadá. Estos CCD fueron un derivado de sensores desarrollados para su uso en la Cámara de Energía Oscura en Chile y otros proyectos de búsqueda de energía oscura.

Los CCD suelen estar hechos de silicio dividido en píxeles. Cuando una partícula de materia oscura atraviesa el CCD, choca con los electrones del silicio, dejándolos libres, dejando una carga eléctrica neta en cada píxel por el que pasa la partícula. Luego, los electrones fluyen a través de píxeles adyacentes y finalmente se leen como una corriente en un dispositivo que mide el número de electrones liberados de cada píxel CCD. Esa medida les dice a los científicos sobre la masa y la energía de la partícula, en este caso la partícula de materia oscura, que provocó la reacción en cadena. Una partícula masiva, como un WIMP, liberaría un chorro de electrones, pero una partícula de masa baja podría liberar sólo a uno o dos.

Los CCD típicos pueden medir la carga que queda solo una vez, lo que dificulta decidir si una pequeña señal de energía de uno o dos electrones es real o un error.

Los CCD Skipper son una nueva generación de la tecnología que ayuda a eliminar la "incertidumbre" de una medición que tiene un margen de error de uno o dos electrones. Eso permite una precisión mucho mayor gracias a un diseño único.

"En el pasado, Los detectores podrían medir la cantidad de carga de la energía depositada en cada píxel solo una vez, ", Dijo Tiffenberg." El gran paso adelante para el patrón CCD es que podemos medir esta carga tantas veces como queramos ".

La carga que queda en el CCD patrón por la materia oscura que libera los electrones se puede muestrear varias veces y luego promediar, un método que produce una medición más precisa de la carga depositada en cada píxel que la técnica de medir uno y hacer. Esa es la regla de las estadísticas:con más datos, te acercas al verdadero valor de una propiedad.

Los científicos de SENSEI aprovechan la arquitectura CCD patrón, midiendo el número de electrones en un solo píxel la friolera de 4, 000 veces y luego promediarlos. Eso minimiza el error de medición (o ruido) y aclara la señal.

"Esta es una idea simple, pero nos tomó 30 años hacerlo funcionar, "Dijo Estrada.

De la idea, a la realidad, hasta más allá

Un pequeño prototipo de SENSEI se está ejecutando actualmente en Fermilab en una sala de detectores a 385 pies bajo tierra, y ha demostrado que este diseño de detector funcionará en la búsqueda de materia oscura.

Después de algunas décadas existiendo solo como una idea, La tecnología skipper CCD y SENSEI cobraron vida gracias a los fondos de Investigación y Desarrollo Dirigidos por Laboratorio (LDRD) en Fermilab y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). Los LDRD de Fermilab se otorgaron recientemente, hace menos de dos años, pero la estrecha colaboración entre los dos laboratorios ya ha dado como resultado el prometedor diseño de SENSEI, en parte gracias al trabajo previo del laboratorio de Berkeley en el diseño de CCD patrón.

Los fondos de Fermilab LDRD permiten a los investigadores probar los sensores y desarrollar detectores basados ​​en la ciencia, y los fondos LDRD de Berkeley Lab apoyan el diseño del sensor, que fue propuesto originalmente por el científico de Berkeley Lab, Steve Holland.

"Es la combinación de los dos LDRD lo que realmente hace posible SENSEI, "Dijo Estrada.

Los programas LDRD están destinados a proporcionar financiación para el desarrollo de novedosos ideas de vanguardia para el descubrimiento científico, y la tecnología SENSEI ciertamente encaja a la perfección, incluso más allá de su búsqueda de materia oscura.

La investigación futura de SENSEI también recibirá un impulso gracias a una reciente subvención de la Fundación Heising-Simons.

"SENSEI es genial, pero lo que es realmente impresionante es que el CCD patrón permitirá la ciencia SENSEI y muchas otras aplicaciones, ", Dijo Estrada." Los estudios astronómicos están limitados por la sensibilidad de sus mediciones experimentales, y tener sensores sin ruido equivale a hacer que su telescopio sea más grande, más sensible ".

La tecnología SENSEI también puede ser fundamental en la búsqueda de un cuarto tipo de neutrino, llamado neutrino estéril, que parece ser incluso más tímido que sus tres miembros de la familia de neutrinos notoriamente esquivos.

Dentro de un año se desplegará un detector SENSEI más grande equipado con más CCD de patrón. Es posible que no detecte nada, enviando a los investigadores de vuelta a la mesa de dibujo en la búsqueda de materia oscura. O SENSEI podría finalmente hacer contacto con la materia oscura, y eso sería SENSEI-cional.