Los resultados experimentales del detector de materia oscura XENON1T limitan el tamaño efectivo de las partículas de materia oscura a 4.1X10-47 centímetros cuadrados (una billonésima parte de una billonésima parte de un centímetro cuadrado), el límite más estricto hasta ahora determinado para la materia oscura según lo establecido por el mundo. detector más sensible.

Los resultados, presentado el lunes en un seminario en Italia en el Laboratorio Subterráneo Gran Sasso (LNGS), se produjeron utilizando un volumen objetivo activo de 1, 300 kilogramos de xenón, la primera búsqueda de materia oscura que ha monitoreado el equivalente a una tonelada de xenón durante todo un año.

"Ahora tenemos el límite más estricto para lo que se conoce como 'la sección transversal de WIMP-nucleón, 'que es una medida del tamaño efectivo de la materia oscura, o con qué intensidad interactúa con la materia normal, "dijo Ethan Brown, miembro de XENON Collaboration, y profesor asistente de física, física Aplicada, y astronomía en el Instituto Politécnico Rensselaer. "Con estos resultados, ahora hemos probado muchos modelos teóricos nuevos de materia oscura y hemos impuesto las restricciones más fuertes a estos modelos hasta la fecha ".

La materia oscura se teoriza como uno de los componentes básicos del universo, cinco veces más abundante que la materia ordinaria. Pero debido a que las partículas de materia oscura conocidas como "partículas masivas de interacción débil, "o" WIMP, "no se puede ver y rara vez interactúa con la materia ordinaria, su existencia nunca ha sido confirmada.

Varias mediciones astronómicas han corroborado la existencia de materia oscura, lo que lleva a un esfuerzo mundial para observar directamente las interacciones de las partículas de materia oscura con la materia ordinaria. Hasta el presente, las interacciones han demostrado ser tan débiles que han escapado a la detección directa, obligando a los científicos a construir detectores cada vez más sensibles.

Desde 2002, la colaboración XENON, incorporando 165 científicos de 12 países, ha operado tres detectores de xenón líquido sucesivamente más sensibles en LNGS en Italia, y XENON1T es su empresa más poderosa hasta la fecha y el detector más grande de su tipo jamás construido. Las interacciones de las partículas en el xenón líquido crean pequeños destellos de luz, y el detector está diseñado para capturar el destello de la rara ocasión en la que una partícula de materia oscura choca con un núcleo de xenón.

Los resultados analizan 279 días de datos, según Elena Aprile, profesor de la Universidad de Columbia y líder del proyecto. Durante ese tiempo, solo se esperaban dos eventos de fondo en lo más íntimo, región más limpia del detector. Sin embargo, no se detectaron eventos, sugiriendo que las partículas de materia oscura deben ser incluso más pequeñas de lo que se pensaba anteriormente. Una parte del análisis de datos se realizó en Rensselaer, a medida que los científicos de los institutos colaboradores de todo el mundo se reunieron en el Instituto a fines de 2018 para revisar los datos y finalizar las rutinas de análisis que eliminarían la información irrelevante de los datos recopilados.

La sensibilidad del detector es función de su tamaño y su "silencio". Aunque las interacciones con la materia oscura son raras, las interacciones con otras formas de materia son comunes, y un detector sensible está diseñado para minimizar esas interacciones. Para protegerlo de la radiactividad natural en la caverna, el detector (una cámara de proyección de tiempo de xenón líquido) se encuentra dentro de un criostato sumergido en un tanque de agua. Una montaña sobre el laboratorio subterráneo protege aún más al detector de los rayos cósmicos.

Incluso con escudos del mundo exterior, los contaminantes se filtran en el xenón de los materiales utilizados en el detector y, entre sus aportes, Brown es responsable de un sofisticado sistema de purificación que limpia continuamente el xenón en el detector. A medida que ha aumentado el tamaño de los detectores, también lo ha hecho la complejidad del sistema de purificación; no solo hay más xenón para limpiar, pero debe mantenerse más limpio para que la luz y la carga se muevan a través del mayor volumen del detector. En la fase actual, Brown dijo que su equipo "se amplió, agregando más bombas y más purificadores "al sistema.

"Nuestro trabajo ha mantenido un alto nivel de pureza para la mayor cantidad de xenón durante el período de tiempo más largo de la historia, ", dijo Brown." Es un logro que permite que otros experimentos se basen en el rendimiento de este sistema de purificación ".

En la siguiente fase, Brown presentará una nueva solución, una bomba de nuevo diseño construida con piezas ultralimpias en su laboratorio de Rensselaer en colaboración con investigadores de Stanford y de la Universidad de Muenster en Alemania. Donde las bombas actuales contribuyen de un tercio a la mitad del radón total en el experimento, las nuevas bombas estarán esencialmente libres de radón, eliminando una de las mayores contribuciones al fondo.