El laboratorio más grande y profundo del mundo estudia un misterio del universo

Lejos del ruido del mundo de la superficie, los científicos que se encuentran en el entorno subterráneo profundo del Laboratorio Jinping de China, CJPL-II, están allí en una misión muy particular: una búsqueda para detectar la sustancia más esquiva y enigmática del universo: la materia oscura.

La materia oscura es un término que se refiere al material que no emite, absorbe ni refleja la luz, lo que lo hace invisible para los telescopios existentes. Pero, a pesar de esta naturaleza sutil, los astrónomos confían en su existencia debido a los efectos gravitacionales que tiene sobre las galaxias y los cúmulos de galaxias. Muchos elementos en el universo, como el movimiento de las estrellas dentro de las galaxias, la desviación de la luz de los objetos distantes o la radiación cósmica de fondo de microondas proporcionan evidencia indirecta de la existencia de materia oscura. Esta sustancia invisible constituye más del 80 por ciento de la materia del universo. Una característica clave de la materia oscura es el hecho de que no interactúa con la luz, a diferencia de la materia «normal» o bariónica, compuesta de protones y electrones.

¿Cómo es el laboratorio más profundo del mundo?

Ahora, el laboratorio chino se ha convertido en la instalación subterránea más grande y profunda del mundo tras su reciente actualización a CJPL-II –tras tres años de expansión y mejoras- y ha comenzado a operar en su búsqueda de desentrañar los secretos de las fuerzas invisibles que dan forma a nuestro universo.

Ubicado debajo de la montaña Jinping en la prefectura autónoma Yi de Liangshan de Sichuan (China), CJPL-II está enterrado bajo una asombrosa roca de 2.400 metros, protegiéndolo así de los rayos cósmicos y otros ruidos de fondo que pueden interferir con los datos de materia oscura. Es un sitio «ultralimpio», ideal para detectar materia oscura y entró en funcionamiento a principios de diciembre del año pasado. La roca actúa como un filtro natural, permitiendo que sólo las partículas más penetrantes, como los neutrinos y posibles partículas de materia oscura, lleguen al laboratorio.

Posee dos detectores de materia oscura mejorados distribuidos en 330.000 metros cúbicos que cubre la instalación, así como un acceso horizontal muy interesante, ya que es posible conducir un autobús hasta el centro neurálgico del laboratorio. Los dos detectores son los Experimentos de partículas y xenón astrofísico (PandaX) y el Experimento de materia oscura de China (CDEX).

Detectando lo invisible

El primero de los experimentos, PandaX (Particle and Astrophysical Xenon Detector), emplea xenón líquido para detectar posibles partículas de materia oscura. El detector ha sido ampliado a 4 toneladas métricas. Cuando estas partículas choquen con los átomos de xenón, se espera que los sensores capten destellos de luz, suficiente luz para aparecer en los fotosensores del detector y proporcionar datos reveladores a los científicos.

«Con una mejor sensibilidad, podemos jugar con el detector y probar los diferentes tipos de interacciones», dijo a Nature Ning Zhou, miembro del equipo PandaX-4T y físico de la Universidad Jiao Tong de Shanghai.

El segundo experimento, CDEX (China Dark Matter Experiment), utiliza un detector de germanio de mayor sensibilidad que registra señales eléctricas cuando las partículas de materia oscura interactúan con él. Juntos incrementan las posibilidades de capturar partículas de materia oscura. La idea es que, incluso si casi todas las partículas de materia oscura pasan zumbando por los detectores, al menos una entrará accidentalmente en contacto con cualquiera de ellas.

Sin estar bajo tierra, intentar detectar materia oscura en la Tierra es «como tratar de escuchar la vocecita de un niño dentro de un estadio donde todo el mundo grita», dijo también a Nature el físico del Instituto Nacional de Física Nuclear de Bolonia, Marco Selvi.

Los detectores se centran principalmente en detectar partículas masivas de interacción débil (WIMP), una de las principales candidatas a la materia oscura que fueron predichas hace más de tres décadas pero que aún no se han observado directamente. Los WIMP interactúan con la materia normal a través de la gravedad y, potencialmente, a través de la fuerza nuclear débil, lo que los hace increíblemente difíciles de detectar. Otra de las posibilidades incluye a la intrigante posibilidad de la materia oscura autointeractuante (SIDM), donde las partículas de materia oscura interactúan entre sí.

La búsqueda de materia oscura es un ejercicio de paciencia y precisión. Las señales esperadas son tan débiles y las interacciones tan raras que distinguir un evento genuino de materia oscura del ruido de fondo es un desafío inmenso. Pero gracias a esta actualización está claro que China quiere estar a la vanguardia de nuestros esfuerzos para resolver este misterio cósmico contra el que los científicos se han estado golpeando la cabeza durante casi un siglo. Detectar una partícula de materia oscura sería un logro monumental, ya que ayudaría a resolver uno de los enigmas más desconcertantes del universo.

Referencias: