El Departamento de Energía de EE. UU. Aprobó la financiación y el inicio de la construcción del experimento SuperCDMS SNOLAB. que comenzará a operar a principios de la década de 2020 para buscar partículas hipotéticas de materia oscura llamadas partículas masivas de interacción débil, o WIMP. El experimento será al menos 50 veces más sensible que su predecesor, explorando propiedades de WIMP que no pueden ser probadas por otros experimentos y brindando a los investigadores una nueva y poderosa herramienta para comprender uno de los mayores misterios de la física moderna.

El Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del DOE está gestionando el proyecto de construcción para la colaboración internacional SuperCDMS de 111 miembros de 26 instituciones, que se está preparando para investigar con el experimento.

"Comprender la materia oscura es uno de los temas de investigación más candentes, en SLAC y en todo el mundo, "dijo JoAnne Hewett, jefe de la Dirección de Física Fundamental de SLAC y director de investigación del laboratorio. "Estamos entusiasmados de liderar el proyecto y trabajar con nuestros socios para construir este experimento de materia oscura de próxima generación".

Con las aprobaciones del DOE, conocidas como Decisiones críticas 2 y 3, los investigadores ahora pueden construir el experimento. La Oficina de Ciencias del DOE contribuirá con $ 19 millones al esfuerzo, uniendo fuerzas con la National Science Foundation ($ 12 millones) y la Canada Foundation for Innovation ($ 3 millones).

"Nuestro experimento será el más sensible del mundo para WIMP relativamente ligeros, en un rango de masa desde una fracción de la masa de protones hasta aproximadamente 10 masas de protones, "dijo Richard Partridge, jefe del grupo SuperCDMS en el Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas (KIPAC), un instituto conjunto de SLAC y la Universidad de Stanford. "Esta sensibilidad incomparable creará oportunidades emocionantes para explorar nuevos territorios en la investigación de la materia oscura".

Una búsqueda ultrafría 6, 800 pies bajo tierra

Los científicos saben que la materia visible en el universo representa solo el 15 por ciento de toda la materia. El resto es una sustancia misteriosa, llamada materia oscura. Debido a su atracción gravitacional sobre la materia regular, la materia oscura es un factor clave para la evolución del universo, afectando la formación de galaxias como nuestra Vía Láctea. Por tanto, es fundamental para nuestra propia existencia.

Pero los científicos aún tienen que descubrir de qué está hecha la materia oscura. Creen que podría estar compuesto por partículas de materia oscura, y los WIMP son los principales contendientes. Si estas partículas existen, apenas interactuarían con su entorno y volarían intactos a través de la materia normal. Sin embargo, De vez en cuando, podrían chocar con un átomo de nuestro mundo visible, y los investigadores de la materia oscura están buscando estas raras interacciones.

En el experimento SuperCDMS SNOLAB, la búsqueda se realizará utilizando cristales de silicio y germanio, en el que las colisiones desencadenarían pequeñas vibraciones. Sin embargo, para medir las sacudidas atómicas, los cristales deben enfriarse a menos de menos 459,6 grados Fahrenheit, una fracción de grado por encima de la temperatura del cero absoluto. Estas condiciones ultrafrías dan al experimento su nombre:Búsqueda de materia oscura criogénica, o CDMS. El prefijo "Super" indica una mayor sensibilidad en comparación con las versiones anteriores del experimento.

Las colisiones también producirían pares de electrones y deficiencias de electrones que se mueven a través de los cristales, desencadenando vibraciones atómicas adicionales que amplifican la señal de la colisión de materia oscura. El experimento podrá medir estas "huellas dactilares" dejadas por la materia oscura con sofisticados componentes electrónicos superconductores.

El experimento será ensamblado y operado en el laboratorio canadiense SNOLAB - 6, 800 pies bajo tierra dentro de una mina de níquel cerca de la ciudad de Sudbury. Es el laboratorio subterráneo más profundo de América del Norte. Allí estará protegido de partículas de alta energía, llamada radiación cósmica, que puede crear señales de fondo no deseadas.

"SNOLAB se complace en dar la bienvenida a la colaboración de SuperCDMS SNOLAB al laboratorio subterráneo, "dijo Kerry Loken, Responsable de proyectos SNOLAB. "Esperamos tener una gran asociación y apoyar esta ciencia líder en el mundo".

Durante los últimos meses un prototipo de detector ha sido probado con éxito en SLAC. "Estas pruebas fueron una demostración importante de que podemos construir el detector real con una resolución de energía suficientemente alta, así como la electrónica del detector con ruido lo suficientemente bajo para lograr nuestros objetivos de investigación, "dijo Paul Brink de KIPAC, que supervisa la fabricación de detectores en Stanford.

Junto con otras siete instituciones colaboradoras, SLAC proporcionará la pieza central del experimento de cuatro torres detectoras, cada uno contiene seis cristales en forma de discos de hockey de gran tamaño. La primera torre podría enviarse a SNOLAB a finales de 2018.

"Las torres detectoras son la parte tecnológicamente más desafiante del experimento, empujando las fronteras de nuestra comprensión de los dispositivos de baja temperatura y la lectura superconductora, "dijo Bernard Sadoulet, un colaborador de la Universidad de California, Berkeley.

Una fuerte colaboración para la ciencia extraordinaria

Además de SLAC, otros dos laboratorios nacionales están involucrados en el proyecto. Fermi National Accelerator Laboratory está trabajando en la intrincada infraestructura de blindaje y criogenia del experimento, y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico está ayudando a comprender las señales de fondo en el experimento, un gran desafío para la detección de señales débiles de WIMP.

Varias universidades estadounidenses y canadienses también desempeñan un papel clave en el experimento, trabajando en tareas que van desde la fabricación y prueba de detectores hasta el análisis y simulación de datos. La mayor contribución internacional proviene de Canadá e incluye la infraestructura de investigación en SNOLAB.

"Somos afortunados de tener una red muy unida de socios de colaboración sólidos, que es crucial para nuestro éxito, "dijo Blas Cabrera de KIPAC, quien dirigió el proyecto a través del hito de aprobación CD-2/3. "Lo mismo es cierto para el apoyo excepcional que estamos recibiendo de las agencias de financiamiento en los EE. UU. Y Canadá".

Dan Bauer de Fermilab, portavoz de la colaboración SuperCDMS, dijo, "Juntos, ahora estamos listos para construir un experimento que buscará partículas de materia oscura que interactúen con la materia normal en una región completamente nueva".

SuperCDMS SNOLAB será el último de una serie de experimentos de materia oscura cada vez más sensibles. La versión más reciente, ubicada en la mina Soudan en Minnesota, completó operaciones en 2015.

"El proyecto ha incorporado lecciones aprendidas de experimentos anteriores de CDMS para mejorar significativamente la infraestructura experimental y los diseños de detectores para el experimento, "dijo Ken Fouts de SLAC, jefe de proyecto de SuperCDMS SNOLAB. "La combinación de mejoras de diseño, la ubicación profunda y el soporte de infraestructura proporcionado por SNOLAB permitirán que el experimento alcance su máximo potencial en la búsqueda de materia oscura de baja masa ".