Enterrado en las profundidades del subsuelo, LUX-ZEPLIN está reescribiendo las reglas en la búsqueda épica para descubrir la materia oscura.
Fecha: 1 de octubre de 2025
Fuente: Universidad de California - Santa Bárbara
Resumen: El detector LUX-ZEPLIN está revolucionando la búsqueda de materia oscura, estableciendo límites sin precedentes para las partículas WIMP. Sus resultados no solo reducen las posibilidades de la materia oscura, sino que también abren caminos emocionantes hacia otros descubrimientos físicos poco comunes.
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El experimento LUX-ZEPLIN ha publicado sus resultados más precisos hasta la fecha en la búsqueda de materia oscura. Crédito: AI/ScienceDaily.com
Determinar la naturaleza de la materia oscura, la sustancia invisible que constituye la mayor parte de la masa de nuestro universo, es uno de los mayores enigmas de la física. Nuevos resultados del detector de materia oscura más sensible del mundo, LUX-ZEPLIN (LZ), han reducido las posibilidades de una de las principales candidatas a materia oscura: las partículas masivas de interacción débil (WIMP).
"Si bien siempre esperamos descubrir una nueva partícula, es importante para la física de partículas que podamos definir qué podría ser realmente la materia oscura", afirmó Hugh Lippincott, físico experimental de la UC Santa Bárbara. Los científicos llevan décadas sospechando la existencia de la materia oscura, pero sigue siendo una sustancia misteriosa que, sin embargo, desempeña un papel fundamental en la estructura del universo.
LZ busca materia oscura en una caverna a casi una milla bajo tierra en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford (SURF) en Dakota del Sur. Los nuevos resultados del experimento exploran interacciones de materia oscura más débiles que nunca antes y limitan aún más la posible naturaleza de las WIMP. Los resultados analizan 280 días de datos: un nuevo conjunto de 220 días (recopilados entre marzo de 2023 y abril de 2024) combinado con 60 días previos de la primera ejecución de LZ. El experimento planea recopilar 1000 días de datos antes de su finalización en 2028.
La parte interna del detector LZ consta de dos tanques de titanio anidados llenos de diez toneladas de xenón líquido puro transparente. Su densidad crea un entorno altamente aislado, libre del ruido exterior, ideal para capturar las señales más tenues que podrían indicar un WIMP. Se espera que un WIMP choque contra un núcleo de xenón, provocándolo un movimiento similar al impacto de una bola blanca en una partida de billar. Al recopilar la luz y los electrones emitidos durante las interacciones, LZ captura posibles señales de WIMP junto con otros datos. Este núcleo de xenón líquido está rodeado por un Detector Exterior (DE) mucho más grande: tanques acrílicos llenos de un centelleador líquido cargado con gadolinio.
La sensibilidad de LZ se debe a las múltiples maneras en que el detector puede reducir los fondos, las señales falsas que pueden simular u ocultar una interacción de materia oscura. En las profundidades del subsuelo, el detector está protegido de los rayos cósmicos provenientes del espacio. Para reducir la radiación natural de los objetos cotidianos, LZ se construyó con miles de piezas ultralimpias de baja radiación. El detector está construido como una cebolla, con cada capa bloqueando la radiación externa o rastreando las interacciones de partículas para descartar imitaciones de materia oscura. Además, las nuevas y sofisticadas técnicas de análisis ayudan a descartar interacciones de fondo.
La UCSB fue uno de los grupos fundadores de LZ, liderado por el físico de la UCSB Harry Nelson, quien organizó la primera reunión de LZ en la UCSB en 2012. El equipo actualmente está formado por los profesores Lippincott y Nelson, los investigadores postdoctorales Chami Amarasinghe y TJ Whitis, y los estudiantes de posgrado Jeonghwa Kim, Makayla Trask, Lindsey Weeldreyer y Jordan Thomas. Otros contribuyentes al resultado incluyen al reciente doctorado Jack Bargemann, ahora investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste, y al ex investigador de pregrado Tarun Advaith Kumar, ahora estudiante de posgrado en el Instituto Perimeter. El coordinador de física para el resultado fue Scott Haselschwardt, quien recibió su doctorado de la UCSB en 2018 y ahora es profesor asistente en la Universidad de Michigan.
Los neutrones, partículas subatómicas presentes en todos los átomos, excepto el hidrógeno, se encuentran entre los factores de confusión más comunes en las señales WIMP. Nelson y la UCSB lideraron el diseño, la fabricación y la puesta en marcha del OD, el componente crucial que permite la colaboración para descartar estas partículas y lograr un verdadero descubrimiento.
"Lo complicado de los neutrones es que también interactúan con los núcleos de xenón, emitiendo una señal idéntica a la que esperamos de los WIMP", dijo Trask. "El OD es excelente para detectar neutrones y confirma la detección de WIMP al no tener ninguna respuesta". La presencia de un pulso en el OD puede invalidar un candidato ideal para la detección de WIMP.
El radón también imita a los WIMP, por lo que los científicos deben estar atentos. «El radón experimenta una secuencia particular de desintegraciones, algunas de las cuales podrían confundirse con WIMP», explicó Bargemann. «Una de las cosas que pudimos hacer en este experimento fue observar el conjunto completo de desintegraciones en el detector para identificar el radón y evitar confundirlo con WIMP».
Para obtener un resultado sólido y eliminar el sesgo inconsciente, la colaboración LZ aplicó una técnica llamada "salting", que añade señales WIMP falsas durante la recopilación de datos. Al camuflar los datos reales hasta el "dessalting" final, los investigadores pueden evitar el sesgo inconsciente y evitar la interpretación excesiva o la modificación de su análisis.
"Estamos ampliando los límites hacia un régimen donde la materia oscura no se ha buscado antes", dijo Haselschwardt. "Existe una tendencia humana a querer ver patrones en los datos, por lo que es fundamental que, al entrar en este nuevo régimen, no se introduzca ningún sesgo. Si se hace un descubrimiento, se busca acertar".
Con estos resultados, el campo de posibilidades sobre lo que podrían ser las WIMP se ha reducido drásticamente, lo que permite a todos los científicos que buscan materia oscura enfocar mejor sus investigaciones y rechazar modelos incorrectos sobre el funcionamiento del universo. Es un proyecto a largo plazo, con más recopilación de datos en el futuro, que contribuirá a acelerar la búsqueda de materia oscura.
"Nuestro experimento también es sensible a eventos raros con raíces en diversas áreas de la física", dijo Amarasinghe. "Algunos ejemplos son los neutrinos solares, las fascinantes desintegraciones de ciertos isótopos de xenón e incluso otros tipos de materia oscura. Con la intensidad de este resultado ya comprobado, me entusiasma dedicar más tiempo a estas búsquedas".
El Departamento de Física de la UCSB tiene una larga trayectoria en el diseño de búsquedas de materia oscura, comenzando con uno de los primeros resultados publicados de una búsqueda en 1988, afirmó Nelson. Entre sus profesores anteriores se encuentran David Caldwell (ya fallecido) y Michael Witherell, actual director del Laboratorio Lawrence Berkeley. David Hale (ahora jubilado) fue pionero en muchas de las técnicas para suprimir señales falsas de materia oscura que ahora se emplean en el campo de las búsquedas de materia oscura. La UCSB, a través del Departamento de Física, la Facultad de Letras y Ciencias, la administración y donaciones privadas, ha apoyado firmemente el estudio de la materia oscura durante décadas y ha realizado contribuciones sustanciales al Laboratorio Lawrence Berkeley.
LZ es una colaboración de aproximadamente 250 científicos de 38 instituciones en Estados Unidos, Reino Unido, Portugal, Suiza, Corea del Sur y Australia. Gran parte del trabajo de construcción, operación y análisis de este experimento récord lo realizan investigadores en sus inicios de carrera. La colaboración ya está analizando el próximo conjunto de datos y ampliando sus técnicas de análisis de datos para buscar señales de materia oscura de menor masa. Los científicos también están considerando posibles mejoras para mejorar aún más LZ y planificando un detector de materia oscura de nueva generación llamado XLZD.
LZ cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Ciencias, la Oficina de Física de Altas Energías y el Centro Nacional de Cálculo Científico para la Investigación Energética, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. LZ también cuenta con el apoyo del Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas del Reino Unido; la Fundación Portuguesa para la Ciencia y la Tecnología; la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia; y el Instituto de Ciencias Básicas de Corea. Más de 38 instituciones de educación superior e investigación avanzada brindaron apoyo a LZ. La asistencia del Centro de Investigación Subterránea de Sanford ha sido fundamental en todo momento para los esfuerzos de la UCSB en LZ.
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Fuente de la historia:
Materiales proporcionados por la Universidad de California - Santa Bárbara . Nota: El contenido puede ser editado por motivos de estilo y extensión.
Universidad de California - Santa Bárbara. « Los científicos podrían estar acercándose a la verdadera identidad de la materia oscura». ScienceDaily. ScienceDaily, 1 de octubre de 2025. < www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250930034209.htm > .
