Un nuevo diseño de detector de partículas propuesto en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. Podría ampliar en gran medida la búsqueda de materia oscura, que constituye el 85 por ciento de la masa total del universo, pero no sabemos de qué se fabrica. de — en un reino inexplorado.

Si bien varios grandes experimentos de física se han dirigido a partículas teorizadas de materia oscura llamadas WIMP, o partículas masivas que interactúan débilmente, El nuevo diseño de detector podría escanear señales de materia oscura a energías miles de veces más bajas que las que se pueden medir con los detectores WIMP más convencionales.

La tecnología del detector ultrasensible incorpora cristales de arseniuro de galio que también incluyen los elementos silicio y boro. Esta combinación de elementos hace que los cristales centelleen, o se enciende, en interacciones de partículas que eliminan electrones.

Esta propiedad de centelleo del arseniuro de galio ha sido en gran parte inexplorada, dijo Stephen Derenzo, físico senior de la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada del Laboratorio de Berkeley y autor principal de un estudio publicado el 20 de marzo en el Revista de física aplicada que detalla las propiedades del material.

"Es difícil imaginar un material mejor para realizar búsquedas en este rango de masas en particular, "Derenzo dijo, que se mide en MeV, o millones de electronvoltios. "Cumple todos los requisitos. Siempre estamos preocupados por un '¡Te atrapé!' o espectacular. Pero he intentado pensar en alguna forma en que este material detector pueda fallar y yo no ".

El gran avance vino de Edith Bourret, un científico senior de la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley que décadas antes había investigado el uso potencial del arseniuro de galio en circuitos. Ella le dio una muestra de arseniuro de galio de este trabajo anterior que presentaba concentraciones adicionales, o "dopantes, "de silicio y boro.

Derenzo había medido previamente un desempeño mediocre en una muestra de arseniuro de galio de calidad comercial. Pero la muestra que le entregó Bourret exhibía una luminosidad de centelleo cinco veces más brillante que en el material comercial. debido a concentraciones añadidas, o "dopantes, "de silicio y boro que dotó al material de propiedades nuevas y mejoradas. Este centelleo mejorado significaba que era mucho más sensible a las excitaciones electrónicas.

"Si no me hubiera entregado esta muestra de hace más de 20 años, No creo que lo hubiera perseguido ", Dijo Derenzo." Cuando este material se dopa con silicio y boro, esto resulta ser muy importante y, accidentalmente, una muy buena elección de dopantes ".

Derenzo señaló que ha tenido un interés de larga data en los centelleadores que también son semiconductores, ya que esta clase de materiales puede producir un centelleo ultrarrápido útil para aplicaciones de imágenes médicas como PET (tomografía por emisión de positrones) y CT (tomografía computarizada), por ejemplo, así como para experimentos de física de alta energía y detección de radiación.

Los cristales de arseniuro de galio dopados que estudió parecen muy adecuados para detectores de partículas de alta sensibilidad porque los cristales extremadamente puros se pueden cultivar comercialmente en grandes tamaños. los cristales exhiben una alta luminosidad en respuesta a los electrones alejados de los átomos en la estructura atómica de los cristales, y no parecen verse obstaculizados por los efectos no deseados típicos, como el resplandor de la señal y las señales de corriente oscura.

Algunos de los detectores de búsqueda de WIMP más grandes, como el del proyecto LUX-ZEPLIN dirigido por Berkeley Lab, ahora en construcción en Dakota del Sur, y su predecesor, el experimento LUX:incorpore un detector de centelleo líquido. Un gran tanque de xenón líquido está rodeado por sensores para medir cualquier señal luminosa y eléctrica esperada de la interacción de una partícula de materia oscura con el núcleo de un átomo de xenón. Ese tipo de interacción se conoce como retroceso nuclear.

A diferencia de, el detector de arseniuro de galio basado en cristales está diseñado para ser sensible a las energías más leves asociadas con los retrocesos de los electrones:electrones expulsados ​​de los átomos por su interacción con partículas de materia oscura. Al igual que con LUX y LUX-ZEPLIN, el detector de arseniuro de galio tendría que colocarse bajo tierra para protegerlo del típico baño de partículas que caen sobre la Tierra.

También necesitaría acoplarse a sensores de luz que pudieran detectar los pocos fotones infrarrojos (partículas de luz) que se esperan de una interacción de partículas de materia oscura de baja masa. y el detector debería enfriarse a temperaturas criogénicas. Los dopantes de silicio y boro también podrían optimizarse para mejorar la sensibilidad general y el rendimiento de los detectores.

Debido a que la composición de la materia oscura sigue siendo un misterio, podría estar compuesta por una o muchas partículas de diferentes masas, por ejemplo, o puede no estar compuesto de partículas en absoluto — Derenzo señaló que los detectores de arseniuro de galio brindan solo una ventana a los posibles escondites de las partículas de materia oscura.

Si bien originalmente se pensó que los WIMP habitaban un rango de masa medido en miles de millones de electronvoltios, o GeV, la tecnología del detector de arseniuro de galio es adecuada para detectar partículas en el rango de masa medido en millones de electronvoltios, o MeV.

Los físicos de Berkeley Lab también están proponiendo otros tipos de detectores para expandir la búsqueda de materia oscura, incluyendo una configuración que utiliza un estado exótico de helio frío conocido como helio superfluido para detectar directamente las llamadas partículas de "materia oscura clara" en el rango de masas de miles de electronvoltios (keV).

"El helio superfluido es científicamente complementario al arseniuro de galio, ya que el helio es más sensible a las interacciones de la materia oscura con los núcleos atómicos, mientras que el arseniuro de galio es sensible a la materia oscura que interactúa con los electrones, "dijo Dan McKinsey, un científico senior de la facultad en Berkeley Lab y profesor de física en UC Berkeley que es parte de LZ Collaboration y está llevando a cabo I + D sobre detección de materia oscura utilizando helio superfluido.

"No sabemos si la materia oscura interactúa más fuertemente con los núcleos o los electrones; esto depende de la naturaleza específica de la materia oscura, que hasta ahora se desconoce ".

Otro esfuerzo emplearía cristales de arseniuro de galio en un enfoque diferente para la búsqueda de materia oscura clara basada en vibraciones en la estructura atómica de los cristales, conocidos como fonones ópticos. Esta configuración podría apuntar a "fotones claros y oscuros, "que son partículas teorizadas de baja masa que servirían como portadoras de una fuerza entre partículas de materia oscura - análoga al fotón convencional que transporta la fuerza electromagnética.

Otro experimento más de próxima generación, conocido como el experimento de búsqueda de materia oscura supercriogénica, o SuperCDMS SNOLAB, utilizará cristales de silicio y germanio para buscar WIMP de baja masa.

"Estos serían experimentos complementarios, "Derenzo dijo de los muchos enfoques." Necesitamos mirar todos los rangos de masa posibles. No quieres que te engañen. No puede excluir un rango de masas si no mira allí ".