Es un misterio que ha tenido a los físicos rascándose la cabeza durante más de 20 años. El experimento DAMA/LIBRA en el Laboratorio Nacional Gran Sasso (LNGS) cerca de L’Aquila, Italia, ha estado registrando una fluctuación anual de destellos de luz en su detector que parece ser un signo de materia oscura. Pero nadie ha podido replicar definitivamente los hallazgos.
Pero bajo una montaña en Jeongseon, Corea del Sur, los investigadores están llevando a cabo un experimento que podría finalmente poner fin a la controvertida afirmación de la materia oscura. En junio, los investigadores terminarán de instalar un detector renovado en una nueva instalación llamada Yemilab. Si todo va según lo planeado, el experimento mejorado COSINE-100 estará funcionando para agosto, según Hyun Su Lee, un físico en el Instituto de Ciencia Básica (IBS) en Daejeon, Corea del Sur.
Se piensa que la materia oscura representa el 85% de la masa en el Universo, pero debido a que apenas interactúa con la materia ordinaria y no interactúa en absoluto con la luz, es extremadamente difícil de observar directamente. Varios equipos de investigación han intentado vislumbrar la elusiva sustancia, pero solo el experimento DAMA/LIBRA ha afirmado verla realmente.
La perspectiva de confirmar la observación de la materia oscura ha capturado la atención de los físicos. «Existe un gran esfuerzo en la comunidad de la materia oscura para reproducir este resultado», dice Nicola Rossi, un físico de partículas experimental en LNGS.
Manzanas y manzanas
Las observaciones de DAMA/LIBRA del patrón anual distintivo son consistentes con lo que los físicos esperarían con la posición relativa de la Tierra en la galaxia a lo largo del año. A medida que la Tierra orbita alrededor del Sol, el Sol orbita al agujero negro en el centro de la Vía Láctea. En junio, la Tierra atraviesa la Vía Láctea en la misma dirección que el Sol, aumentando su velocidad relativa a través de la neblina de materia oscura. Pero en diciembre, la Tierra viaja con el flujo de materia oscura a medida que se desplaza en dirección opuesta al Sol. Como era de esperar, el número de señales registradas por el detector de DAMA/LIBRA es mayor en junio y menor en diciembre.
Un puñado de grupos han intentado reproducir los resultados de DAMA/LIBRA utilizando métodos y materiales similares en sus detectores, incluido el mismo tipo de cristales de yoduro de sodio que emiten pequeños destellos de luz cuando son golpeados por partículas subatómicas. Entre ellos se encuentra COSINE-100, que ha estado funcionando desde 2016 en el predecesor de Yemilab, el Laboratorio Subterráneo Yangyang (Y2L) en Corea del Sur. Pero ninguno ha producido resultados que coincidan con los del experimento original, planteando dudas sobre si la oscilación anual en las señales se debe a algo más, como el propio detector o errores en los métodos de análisis utilizados. «Este es un rompecabezas que todavía está ahí después de 20 años», dice María Luisa Sarsa, una física que trabaja en el experimento ANAIS-112, que también se centra en replicar los resultados de DAMA/LIBRA, en el Laboratorio Subterráneo Canfranc en Huesca, España.
El túnel de acceso a Yemilab. Es accesible mediante ascensor peatonal y en vehículo a través de un túnel.Crédito: Kangsoon Park y Eunkyung Lee
Pero para confirmar o descartar definitivamente las afirmaciones de DAMA/LIBRA, los experimentos deben coincidir lo más posible con el original, dice Henry Tsz-King Wong, un físico en la Academia Sinica en Nangang, Taiwán. Aunque el detector COSINE-100 utiliza el mismo tipo de cristales de yoduro de sodio, contienen hasta tres veces más radiación que los utilizados en DAMA/LIBRA, lo que puede oscurecer las débiles señales de posibles partículas de materia oscura y dificultar la obtención de resultados definitivos. «La comunidad quiere mucho tener algo que sea realmente comparable, idéntico de manzana a manzana», dice Wong, quien trabaja en el Experimento Chino de Materia Oscura en el Laboratorio Subterráneo China Jinping en Sichuan.
El experimento mejorado utilizará los mismos cristales que los utilizados en el experimento anterior COSINE-100, pero con algunas mejoras adicionales para aumentar su sensibilidad, dice Lee. El equipo también está desarrollando un conjunto de cristales de yoduro de sodio que serán aún más puramente radiactivos que los de DAMA/LIBRA para la próxima fase del experimento, COSINE-200. Con niveles de radioactividad aún más bajos, la esperanza es generar suficientes datos en un período de tiempo más corto para alcanzar una conclusión más sólida sobre los resultados de DAMA/LIBRA y también buscar materia oscura de baja masa, dice Lee, quien co-lidera COSINE-100. «Un detector de fondo más bajo simplificaría todos los aspectos del análisis», dice.
Neutrinos
COSINE-100 estará ubicado en el nuevo y amplio Yemilab de 3.000 metros cuadrados. La instalación de 31 mil millones de wones (US$23 millones) se encuentra a unos 1 kilómetro bajo tierra y supera a Y2L tanto en profundidad como en volumen. Desde septiembre de 2023, los investigadores han estado trasladando todos los experimentos de Y2L a Yemilab, donde comenzarán su próxima fase antes de que termine este año.
El salón AMoRE de Yemilab, que buscará la desintegración beta doble sin neutrinos.Crédito: Kangsoon Park y Eunkyung Lee
Yemilab también ofrece un entorno mejor protegido para detectar partíc…