Las observaciones y mediciones cosmológicas recopiladas en el pasado sugieren que la materia ordinaria, que incluye estrellas, galaxias, el cuerpo humano y otros innumerables objetos / organismos vivos, solo constituye el 20% de la masa total del universo. Se ha teorizado que la masa restante consiste en la llamada materia oscura, un tipo de materia que no absorbe, reflejan o emiten luz y, por lo tanto, solo pueden observarse indirectamente a través de efectos gravitacionales en el entorno que los rodea.

Si bien aún se desconoce la naturaleza exacta de este elusivo tipo de materia, en décadas recientes, Los físicos han identificado muchas partículas que van más allá del modelo estándar (la teoría que describe algunas de las principales fuerzas físicas del universo) y que podrían ser buenas candidatas a materia oscura. Luego intentaron detectar estas partículas utilizando dos tipos principales de detectores de partículas avanzados:detectores semiconductores de escala de gramos (generalmente hechos de silicio y utilizados para buscar materia oscura de baja masa) y detectores gaseosos de escala de toneladas (que tienen umbrales de detección de energía más altos). y son más adecuados para realizar búsquedas de materia oscura de gran masa).

La colaboración EDELWEISS, un gran grupo de investigadores que trabajan en la Université Lyon 1, Université Paris-Saclay y otros institutos en Europa, recientemente llevó a cabo la primera búsqueda de materia oscura Sub-MeV utilizando un detector basado en germanio (Ge). Si bien el equipo no pudo detectar la materia oscura, establecen una serie de limitaciones que podrían informar futuras investigaciones.

"EDELWEISS es un experimento de búsqueda directa de materia oscura. Como tal, nuestro objetivo principal es detectar la materia oscura para traer pruebas irrefutables de su existencia, "Quentin Arnaud, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Todavía, la ausencia de detección es un resultado importante en sí mismo, porque esto nos permite probar y establecer restricciones en los modelos de partículas de materia oscura existentes ".

Hay dos razones clave por las que las partículas de materia oscura han eludido hasta ahora la detección. Primero, la probabilidad de que estas partículas interactúen con la materia ordinaria, como el que se encuentra dentro de los detectores de partículas convencionales, es extremadamente pequeño.

Segundo, la señal que los investigadores esperan que surja de una partícula de materia oscura que incida en el detector es varios órdenes de magnitud más baja que las señales producidas por la radiactividad natural. La detección de estas señales requeriría, por tanto, tiempos de exposición del detector muy prolongados y el uso de instrumentos fabricados con materiales radiopuros. pero que también estén adecuadamente blindados y operados bajo tierra, ya que esto les impide captar radiactividad ambiental y rayos cósmicos.

"Eventualmente (a pesar de todos nuestros esfuerzos), siempre habrá algún trasfondo residual que debemos poder discriminar, "Arnaud explicó." Por lo tanto, Desarrollamos tecnologías de detección con la capacidad de determinar si las señales que detectamos son inducidas por una partícula de materia oscura o se originan en el fondo radiactivo ".

Arnaud y sus colegas fueron los primeros en buscar materia oscura por debajo de MeV utilizando un detector criogénico de germanio de 33,4 g en lugar de un detector de partículas a base de silicio. Buscaron específicamente partículas de materia oscura que interactuaran con los electrones. El detector que utilizaron fue operado bajo tierra en el Laboratoire Souterrain de Modane, en Francia.

"Se espera que la energía depositada en nuestro detector después de una interacción de partículas de materia oscura sea extremadamente pequeña ( <1 keV), ", Dijo Arnaud." Cuando se buscan partículas de materia oscura clara (masas sub-MeV), es incluso peor:la energía depositada puede ser tan pequeña como unos pocos eV, depósitos de energía tan pequeños que solo unas pocas tecnologías de detección de última generación pueden ser sensibles a ellos ".

El detector utilizado por la colaboración de EDELWEISS consiste esencialmente en un cristal cilíndrico de germanio enfriado a temperatura criogénica (18 mK o -273, 13 ° C), con electrodos de aluminio a cada lado del cristal, en el que el equipo aplicó una alta diferencia de voltaje. Las colisiones entre partículas y núcleos / átomos dentro del cristal conducen a la producción de pares de agujeros de electrones, que inducen una pequeña señal de carga (es decir, corriente) a medida que se desplazan hacia los electrodos colectores.

Además, La colisión de una partícula con la red cristalina induce un pequeño aumento de temperatura (es decir, menos de 1 micro-Kelvin). Este cambio de temperatura se puede medir utilizando un sensor térmico muy sensible conocido como sensor dopado por transmutación de neutrones (NTD). Como los depósitos de energía que teóricamente deberían surgir de las partículas de materia oscura por debajo de MeV son increíblemente pequeños (es decir, en la escala eV), sin embargo, la señal de carga asociada sería demasiado pequeña para ser medible y el aumento de temperatura demasiado leve para ser medido por un sensor NTD.

"Para solucionar este problema, nuestro detector explota lo que se llama efecto Neganov-Trofimov-Luke (NTL) (que hasta cierto punto es similar al efecto Joule):en los detectores de semiconductores criogénicos, la deriva de N pares de electrones y huecos a través de una diferencia de voltaje produce calor adicional cuya energía se suma a la depositada inicialmente, ", Dijo Arnaud." Este efecto Neganov-Trofimov-Luke (NTL) esencialmente convierte un calorímetro criogénico (operado a ΔV =0V) en un amplificador de carga. Un pequeño depósito de energía termina dando lugar a una elevación de temperatura alta (medible) y a mayor voltaje, cuanto mayor sea la ganancia de amplificación ".

Arnaud y sus colegas establecieron nuevas limitaciones en la mezcla cinética de fotones oscuros. En general, Los hallazgos que recopilaron demuestran la gran relevancia y el valor de los detectores criogénicos de germanio en la búsqueda en curso de interacciones de materia oscura que producen señales de electrones a escala eV.

La colaboración de EDELWEISS está desarrollando ahora un conjunto de detectores más potentes llamados SELENDIS (Discriminación de retroceso nuclear de un solo electroelectrón). La característica más importante de estos nuevos detectores es una técnica de discriminación innovadora que permitirá al equipo diferenciar entre retrocesos nucleares y electrónicos hasta un solo par electrón-hueco con la única medición de señales de calor en lugar de requerir la medición simultánea de dos observables ( p.ej, , calor / ionización, ionización / centelleo o calor / centelleo), como es el caso de las técnicas de discriminación propuestas anteriormente.

"Ninguna tecnología de detectores existente en la actualidad puede combinar la sensibilidad de detección de un solo electrón y las capacidades de discriminación, "Arnaud dijo." Los experimentos de detección directa optimizados para búsquedas de materia oscura de gran masa son muy buenos para discriminar la señal del fondo, pero tienen umbrales de detección de energía relativamente altos. Los experimentos de búsqueda de materia oscura de baja masa, incluido EDELWEISS, tienen umbrales de detección de baja energía sin precedentes, pero no pueden discriminar la señal del fondo. Con SELENDIS, nuestro objetivo es combinar los dos mediante el desarrollo del primer detector que combina la sensibilidad de un par de huecos de electrones y las capacidades de discriminación de fondo ".

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