El nuevo laboratorio de materia oscura de China es el más grande y profundo del mundo

La Instalación Subterránea Profunda de Radiación de Fondo Ultrabaja para Experimentos de Física de Vanguardia (DURF) es la segunda fase del Laboratorio Subterráneo de China Jinping (CJPL-II) inaugurado en 2010 luego de tres años de construcción.

EL CJPL-II entró en funcionamiento el mes pasado con una capacidad de 330.000 metros cúbicos, superando en volumen y profundidad el récord que ostentaba hasta ahora el Laboratorio Nacional del Gran Sasso (LNGS) en L’aquila, Italia.

Según la comunidad científica, la ampliación del laboratorio, un logro sorprendente alcanzado en poco más de una década, permitirá actualizar y ampliar los Experimentos Astrofísicos y de Partículas de Xenón (PandaX) y el Experimento de Materia Oscura de China (CDEX).

“La gloria científica espera a quienes detecten por primera vez la materia oscura, y esta búsqueda en curso es uno de los mayores esfuerzos en física de partículas”, dice Henry Tsz-King Wong, físico de la Academia Sínica en Nangang, Taiwán, que trabaja en el CDEX.

Por ahora, la materia oscura sigue siendo un misterio. Los astrofísicos calcularon que la gravedad generada por la materia visible es demasiado débil para evitar que las galaxias que se mueven rápidamente se separen.

Desde que fue postulada, los científicos teorizaron que la materia oscura es el pegamento invisible que mantiene unido al universo, y aunque debería estar en todas partes, resultó imposible observarla directamente.

La razón por la que la materia oscura no puede ser observada en forma directa es porque apenas interactúa con la materia ordinaria y no emite, refleja ni absorbe luz. Incluso las afirmaciones sobre su detección estuvieron plagadas de un cuestionamiento clave: los experimentos podrían haber sido confundidos por otras señales.

Luz bajo la montaña

El mejor lugar para buscar materia oscura es bajo tierra, porque las capas de rocas protegen a los detectores del “ruido” de fondo, como los rayos cósmicos, las partículas de alta energía que caen sobre la Tierra desde el espacio y que pueden ahogar posibles señales de la materia oscura.

Para explicar la situación, los científicos suelen acudir a un ejemplo sencillo. Intentar detectar materia oscura en la superficie de la Tierra sería como intentar oír la voz de un niño dentro de un estadio donde todo el mundo grita.

Bajo tierra, CJPL-II está expuesto a los rayos cósmicos a una tasa del 0,000001% de la superficie de la Tierra, lo que lo convierte en uno de los laboratorios subterráneos mejor protegidos del mundo.

Además de la gruesa capa de rocas que lo separan de la superficie, las paredes del laboratorio están recubiertas por un escudo protector de 10 centímetros de espesor hecho con una mezcla de caucho, hormigón y otros materiales que bloquean el agua y el gas radiactivo radón, que puede filtrarse desde la roca circundante e interrumpir los experimentos de detección.

Los equipos de investigación de la instalación ya están aprovechando el espacio adicional. Mientras se construía el CJPL-II, el equipo de PandaX amplió su capacidad de detección de 120 a 4 toneladas de xenón líquido.

Cuando una partícula potencial de materia oscura choca con un átomo de xenón, su energía debería convertirse en destellos de luz que podrían ser detectados por una multitud de fotosensores.

“El detector PandaX-4T se encuentra dentro de un tanque de agua de 900 metros cúbicos para protegerlo aún más de las partículas perdidas”, explica Ning Zhao, integrantes del equipo y físico de la Universidad Jiao Tong de Shanghai.

"Con una mayor sensibilidad, podemos jugar con el detector y probar los diferentes tipos de interacciones", afirma Ning. El objetivo final es construir un detector de xenón con una capacidad de entre 40 y 50 toneladas, que rivalizaría con el proyecto DARWIN de la Unión Europea, que apunta a 40 toneladas.

“Mientras tanto, el equipo de CDEX también desplegó un detector de germanio, en este caso para detectar posibles partículas de materia oscura con una masa incluso menor que las que buscan los experimentos de xenón”, dice Qian Yue, miembro del equipo de CDEX y físico de la Universidad de Tsinghua, en Beijing.

“El centro subterráneo profundo de investigación integrar múltiples disciplinas, incluyendo la física de partículas, la astrofísica nuclear y las ciencias de la vida, con el fin de facilitar el desarrollo de la investigación en campos de vanguardia relevantes”, dice Yue Qian, profesor de la Universidad Tsinghua.

Por lo pronto, los científicos ampliaron la capacidad detección del CDEX de 1 a 10 kilogramos de germanio, con planes para construir un conjunto de detectores que contenga 1 tonelada. Si una partícula de materia oscura chocara contra este detector, la interacción debería producir cargas, que se convertirían en señales eléctricas.

Desde que la materia oscura fue propuesta como un concepto por astrónomos como Jan Oort en 1932 y Fritz Zwicky en 1933, la carrera científica para detectarla se tornó cada más competitiva a nivel mundial, lo que permite a los científicos comparar los resultados.

En 2022, por ejemplo, el equipo de PandaX pudo confirmar utilizando un enfoque similar que la señal detectada por el experimento XENON de LNGS provenía del “ruido” de fondo y no de la esquiva materia oscura.

“Durante la próxima década, los equipos del CJPL-II seguirán mejorando la sensibilidad de sus detectores”, afirma Ning. También espera que la comunidad mundial de investigación de la materia oscura comparta y combine conjuntos de datos del CJPL-II con los suyos propios. "Todavía tenemos muchas cosas por hacer", afirma.

(Con información de agencias)