Materia oscura sigue siendo uno de los mayores misterios de la ciencia. A pesar de décadas de evidencia astronómica de su existencia, nadie ha podido encontrar ningún signo de él más cerca de casa. Ha habido decenas de esfuerzos para hacerlo, y uno de los más destacados acaba de alcanzar un hito: la publicación y el análisis de 8 años de datos. los Observatorio IceCube Neutrino pronto publicaremos los resultados de esos 8 años, pero por ahora analicemos qué es exactamente lo que están buscando.
Abundan las teorías sobre qué es realmente la materia oscura, y varias de ellas se centran en la idea de la materia oscura como un tipo de partícula. El más destacado de ellos es el Partícula masiva de interacción débil (WIMP) . La física detrás de WIMP es uno de los principales impulsores del Experimento IceCube.
Video que describe cómo funciona IceCube.
Crédito - Canal de YouTube del Observatorio de Neutrinos IceCube
Un detector de neutrinos puede parecer una forma extraña de buscar WIMP, pero la física detrás de él se comprende bien. Al viajar a través de grandes grupos de materia del 'modelo estándar' (es decir, lo que consideramos partículas 'normales'), los WIMPS podrían perder energía y eventualmente quedar gravitacionalmente unidos al cuerpo por el que viajan. Este sería el caso de los planetas o del Sol. Entonces, el centro de la Tierra podría albergar una gran masa invisible de partículas que interactúan débilmente.
Sería imposible detectar directamente tal agrupación de WIMPS. Sin embargo, los científicos podrían ver signos reveladores midiendo una partícula proxy: neutrinos . Los neutrinos, que en sí mismos son conocidos por ser difíciles de detectar, son el resultado de algunas teorías en las que los WIMP se autodestruyen al interactuar con una partícula estándar. Dado que son tan difíciles de precisar, los neutrinos que resultarían de este proceso en cualquier masa de WIMP en el centro de la Tierra casi con certeza podrían atravesar la masa de la Tierra y salir al espacio.
Video de Isaac Arthur discutiendo las propiedades (conocidas) de Dark Matter.
Crédito - Canal de YouTube de Isaac Arthur
Pero en el camino, podrían ser detectados por un detector de neutrinos, como IceCube. Basado en el geográfico Polo Sur , IceCube consta de 86 cadenas de módulos ópticos digitales que contienen 5160 sensores ópticos individuales que detectarán un tipo de luz creada por Radiación de Cherenkov cuando cualquier neutrino interactúa con otra partícula. Al triangular el brillo y la longevidad del pulso de luz, los científicos pueden luego retroceder la velocidad y la dirección en la que viajaba el neutrino.
Dada la naturaleza delicada del equipo y su partícula de interés, la reducción de ruido es un componente clave de IceCube. Parte de esa estrategia se realiza a través del aislamiento: la matriz de detección no solo se basa en uno de los lugares más aislados de la Tierra, sino que también está enterrada bajo 1450 m de hielo y se extiende por casi un kilómetro vertical de profundidad.
Mirando hacia abajo por uno de los orificios del detector de IceCube.
Crédito: Colaboración IceCube / NSF
La otra parte de esa estrategia se basa en simulaciones, particularmente para estimar y eliminar el ruido de fondo. El equipo de investigación de IceCube, que está formado por científicos de todo el mundo, utiliza simulaciones de ruido de fondo en un esfuerzo por eliminar las detecciones falsas. Además, pueden eliminar alguna fuente de neutrinos no asociada con WIMP, como cuando el sistema detecta un neutrino que viaja hacia el núcleo de la Tierra en lugar de alejarse de él. Lo más probable es que estos tipos de neutrinos sean causados por 'neutrinos atmosféricos' que se forman cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera de la Tierra.
Todo este esfuerzo está dirigido a una tarea relativamente simple: tratar de averiguar qué son exactamente los WIMP. En el lenguaje de la física de partículas, esto significa tratar de imponer restricciones a su 'masa'. Como ocurre con muchas cosas en la física de partículas, se mide de manera ligeramente diferente a simplemente poner algo en una escala. Medido en 'electronvoltios', los investigadores observaron masas potenciales entre 10GeV (giga electronvoltios) y 10 TeV (tera electronvoltios). Estos rangos incluyen masas que son órdenes de magnitud 'más pesadas' que otras partículas subatómicas bien conocidas, como el bosón de Higgs (125 GeV) o el electrón (.511 MeV).
Dibujo artístico de la configuración del Observatorio IceCube.
Crédito - Colaboración IceCube / NSF
Otra característica de los WIMP que la investigación estaba tratando de reducir es la 'tasa de aniquilación', es decir, la frecuencia con la que los WIMP se destruyen a sí mismos y crean un neutrino que IceCube puede detectar. Utilizando un análisis estadístico avanzado, los investigadores también obtuvieron una probabilidad estadística para diferentes rangos de probabilidad de aniquilación.
Incluso con todo el trabajo realizado hasta ahora, los resultados finales aún no se han analizado por completo. Entonces, qué podrían significar todos estos resultados para la búsqueda de WIMP sigue siendo una pregunta abierta. El equipo de IceCube espera que los resultados 'se publiquen pronto'. Es más, los datos que analizaron actualmente eran solo de 2011 a 2018, por lo que hay tres años más de datos que aún no se han incluido en este análisis.
El equipo de IceCube posa para una foto frente a la torre de despliegue después de la finalización del detector de neutrinos IceCube en diciembre de 2010. Foto de: Chad Carpenter / NSF
Todo el trabajo dedicado a descubrir qué es exactamente la materia oscura podría valer la pena. Después de todo, sigue siendo uno de los mayores fenómenos inexplicables de la física de partículas. Y la única forma en que los científicos podrán comprenderlo por completo es recopilando datos en instrumentos como IceCube durante los próximos años.
Aprende más:
arXiv - Busque materia oscura del centro de la Tierra con 8 años de datos de IceCube
Universidad de Wisconsin - Observatorio IceCube Neutrino
UT - La Tierra detiene el neutrino ocasional
UT - La detección de neutrinos podría ayudar a pintar una imagen completamente nueva del universo
Imagen principal:
Imagen del edificio en la superficie del Polo Sur que alberga el Observatorio IceCube Neutrino.
Crédito - Observatorio de neutrinos IceCube