La búsqueda de la materia oscura es un trabajo que estamos desarrollando con el Laboratorio de Fermilab, relata el Dr. Jorge Molina, director del Laboratorio de Mecánica y Energía de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Asunción (FIUNA). 

Se trata de buscar un tipo de partícula cósmica llamada así debido a que no emite radiación electromagnética. Todavía no sabemos que es la materia oscura, pero sabemos que existe y cómo influye en la formación de galaxias, cúmulos galácticos y otras grandes estructuras del universo. En la comunidad científica casi nadie duda de la existencia de esta partícula, y es por esto que recientemente se han creado decenas de experimentos para determinar cómo y de qué está compuesta esta materia oscura.

El Dr Molina frente al sistema de detección del experimento DAMIC localizado en el laboratorio de SNOLAB a 2000 m de profundidad en Canadá.

Se cree que el universo que conocemos actualmente está compuesto en un 4% de materia visible, 23% de materia oscura y 73 % de energía oscura, siendo que el 96% de universo aún continúa sin ser conocido, explica el Dr. Jorge Molina, que en el mes de diciembre viajó a Canadá para ampliar la investigación de la cual participa.

Hasta el momento no se determinó si la materia oscura está compuesta de una sola partícula, o si son varias partículas. El problema principal está en que es difícil su detección debido a que –dependiendo de su masa- su interacción puede ser muy débil impidiendo que las señales generadas en el detector puedan ser leídas e interpretadas. Aparte de este problema inherente al sensor en sí, existe el problema de la radioactividad natural creada por partículas cósmicas, lo cual constituyen un problema a la hora de determinar si lo que se observa en los detectores son señales producidas por la materia oscura, o si son debidas a estas partículas del fondo que “mascaran” la información.

La sensibilidad de los detectores utilizados normalmente en la física de partículas de hoy en día no alcanza para medir el nivel de las señales producidas, por eso de diseñan y se construyen distintos tipos de sensores utilizando distintas tecnologías, aclara el profesor Molina.

“Nosotros creamos el experimento DAMIC (Dark Mater in CCDs), donde los CCDs (charge-coupled device o dispositivo de carga acoplada) se utilizan como detectores de partículas. Esta es una técnica nueva, que tiene como gran ventaja el hecho de poder detectar señales con un ruido intrínseco muy bajo, lo que permitiría medir a la materia oscura, si ésta posee una masa relativamente baja (entre 1 y 10 GeV). Los mismos CCDs que usamos nosotros son los que usan para la medición del energía oscura en el experimento DES (Dark Energy Survey) que comenzó a funcionar recientemente en el telescopio del cerro Tololo, en La Serena -Chile.

El Dr. Molina relata los antecedentes:

Con esta técnica comenzamos los experimentos en el 2008 a nivel superficial, luego, desde el 2009 hasta el 2011 estuvimos tomando datos a 100 metros bajo tierra en uno de los laboratorios del Fermilab. Como resultado de esas corridas de prueba, decidimos que la técnica podría ser usada, pero que se necesitaba reducir el nivel del ruido de fondo producido por las partículas cósmicas. Y para escapar de este problema es que hay que ir a lugares subterráneos donde la presencia de los rayos cósmicos (principalmente muones) que contaminan los datos sea la menor posible.

Como el Fermilab tiene otros experimentos de materia oscura tomando datos en el laboratorio de SNOLAB (localizado en la mina Craighton, en Sudbury-Canadá, a 2000 metros bajo tierra), solicitamos instalar el experimento allá. Tras completar los papeleos y los procedimientos de seguridad correspondientes, pudimos instalar los detectores en ese laboratorio. Para esto utilizamos los recursos obtenidos a través del premio PECASE, obtenido en 2010 por el líder del experimento, el Dr. Juan Estrada por el desarrollo de estos detectores.

En noviembre del 2012 los científicos, ingenieros y técnicos del Fermilab llevaron el sistema de detección y el blindaje para luego instalarlos. Nosotros (juntamente con el Dr. Estrada y el técnico Kevin Kuk) fuimos a tomar los primeros datos en el mes de diciembre. Afortunadamente encontramos todo muy bien instalado, con el hardware tomando datos normalmente, tal como esperamos.

Miembro del experimento DAMIC durante la puesta en operación del sistema de detección en diciembre del 2012.

Sin embargo, al analizar los primeros datos observamos que existía una contaminación radioactiva, y tras una intensa búsqueda, pudimos determinar que ésta provenía de los elementos internos del sistema de deteccion (específicamente del soporte de los CCDs). Esto hizo que tengamos que rediseñar el hardware para solucionar esta situación, lo que planeamos hacer en el mes de abril. Si bien esto afecta al tiempo de duración del experimento, tampoco es que afecte mucho, ya que al ser una experiencia de muy largo plazo, necesitamos tomar datos continuamente durante 1 o 2 años para lograr un resultado importante.

Sin embargo, nuestra colaboración no consiste solamente en encontrar la materia oscura, sino también en desarrollar los CCDs para otros fines. Actualmente también estoy colaborando con el Fermilab y con distintas universidades de Rio de Janeiro para instalar estos detectores en las cercanías del reactor nuclear de Angra dos Reis. El experimento se denomina CONNIE, y fue creado para detectar un proceso físico llamado de “Neutrino Coherent Scattering”, proceso nunca observado debido a que es muy difícil su detección debido a que la señal generada es muy débil. Sin embargo con los CCDs se puede distinguir este proceso, lo que se podría utilizar para saber si un reactor está en funcionamiento.

Actualmente, dentro de Laboratorio de Mecánica y Energía de la Facultad de Ingeniería UNA, en el marco de estas investigaciones se realizan simulaciones con estudiantes de la Facultad. El desarrollo y la experimentación de los nuevos sensores se llevan a cabo en los laboratorios del Fermilab, donde poseen una infraestructura especialmente orientada para este tipo de desarrollo de I+D. Afortunadamente, ellos muestran una gran apertura para apoyar la investigación en nuestro país y para promover a jóvenes investigadores a través del trabajo en redes de cooperación, del cual estos experimentos son un muy buen ejemplo.