Sensei busca materia oscura ligera

La tecnología propuesta hace 30 años para buscar materia oscura está finalmente viendo la luz. Crédito de la imagen: Photo by Reidar Hahn, Fermilab Por Leah Poffenberger, para Symetry magazine Septiembre 15 de 2017 En un proyecto llamado SENSEI, los científicos están utilizando sensores innovadores desarrollados durante tres décadas para buscar las partículas más ligeras de materia oscura que alguien haya intentado detectar. La materia oscura, —llamada así porque no absorbe, refleja ni emite luz— constituye el 27 por ciento del universo, pero el jurado aún no sabe de qué está hecho. El principal sospechoso teórico para el componente principal de la materia oscura es una partícula que los científicos han descriptivamente nombrado la partícula masiva débilmente interactiva, o WIMP. Pero dado que ninguna de estas partículas pesadas, que se espera tengan una masa 100 veces mayor que la de un protón, han aparecido en experimentos, podría ser el momento para que los investigadores piensen pequeño. "Hay un creciente interés en buscar diferentes tipos de materia oscura que son aditivos al modelo WIMP estándar", dice el científico del Laboratorio Acelerador Nacional de Fermi, Javier Tiffenberg, un líder de la colaboración SENSEI. "La materia oscura ligera, o baja masa, es una posibilidad muy convincente, y por primera vez, la tecnología está ahí para explorar a estos candidatos". Detectando lo invisible En los experimentos tradicionales de materia oscura, los científicos buscan una transferencia de energía que ocurriría si las partículas de materia oscura chocaran con un núcleo ordinario. Pero SENSEI es diferente; busca interacciones directas de partículas de materia oscura que chocan con electrones. "Esa es una gran diferencia: se transfiere mucha más energía en este caso porque un electrón es tan ligero comparado con un núcleo", dice Tiffenberg. Si la materia oscura tuviera una masa baja -mucho más pequeña de lo que sugiere el modelo WIMP- entonces sería muchas veces más ligera que un núcleo atómico. Así que si se chocara con un núcleo, la transferencia de energía resultante sería demasiado pequeña para decirnos algo. Sería como tirar una pelota de ping-pong en una roca: el objeto pesado no iría a ninguna parte, y no habría ningún signo de que los dos habían entrado en contacto. Un electrón no es tan pesado como un núcleo atómico. De hecho, un único protón tiene aproximadamente 1836 veces más masa que un electrón. Por lo tanto, la colisión de una partícula de materia oscura de baja masa con un electrón tiene una oportunidad mucho mejor de dejar una marca, es más bola de bolos que canto rodado. Bolas de bolos no son exactamente la luz, sin embargo. Una transferencia de energía entre una partícula de masa oscura de baja masa y un electrón dejaría sólo un bache de energía, uno demasiado pequeño para que la mayoría de los detectores captaran o se oscurecieran fácilmente por el ruido en los datos. "La pelota de bolos se moverá una cantidad muy pequeña", dice el científico de Fermilab Juan Estrada, un colaborador de SENSEI. "Se necesita un detector muy preciso para ver esta interacción de partículas ligeras con algo que es mucho más pesado." Ahí es donde entran sensores sensibles de SENSEI. SENSEI utilizará dispositivos de carga-pareja de patrón, también llamados CCDs patrón. Los CCD se han utilizado para otros experimentos de detección de materia oscura, como el experimento Dark Matter in CCDs (o DAMIC) que opera en SNOLAB en Canadá. Estos CCDs fueron un derivado de sensores desarrollados para su uso en la Cámara de Energía Oscura en Chile y otros proyectos de búsqueda de energía oscura. Los CCD están hechos típicamente de silicio dividido en píxeles. Cuando una partícula de materia oscura pasa a través del CCD, choca con los electrones del silicio, dejándolos libres, dejando una carga eléctrica neta en cada píxel que atraviesa la partícula. Los electrones luego fluyen a través de píxeles adyacentes y son finalmente leídos como una corriente en un dispositivo que mide el número de electrones liberados de cada píxel CCD. Esa medida le dice a los científicos acerca de la masa y la energía de la partícula que hizo que la reacción en cadena se hiciera realidad. Una partícula masiva, como un WIMP, liberaría un gusher de electrones, pero una partícula de baja masa podría liberar sólo uno o dos. CCD típicos pueden medir la carga dejada atrás sólo una vez, lo que hace difícil decidir si una pequeña señal de energía de uno o dos electrones es real o un error. Skipper CCDs son una nueva generación de la tecnología que ayuda a eliminar la "iffiness" de una medición que tiene un margen de error de uno o dos electrones. "El gran paso adelante para el capitán CCD es que somos capaces de medir esta carga tantas veces como queramos", dice Tiffenberg. La carga dejada en el capitán CCD puede ser muestreada varias veces y luego promediado, un método que produce una medición más precisa de la carga depositada en cada píxel que la técnica de medida-uno-y-hecho. Esa es la regla de la estadística: Con más datos, se acerca al valor real de una propiedad. Los científicos de SENSEI se aprovechan de la arquitectura CCD del capitán, midiendo el número de electrones en un solo píxel, unos 4000 veces. "Esta es una idea simple, pero nos tomó 30 años conseguir que funcione", dice Estrada. De la idea a la realidad a más allá Un pequeño prototipo de SENSEI se está ejecutando actualmente en Fermilab en un pasillo del detector 385 pies debajo de tierra, y ha demostrado que este diseño del detector trabajará en la caza para la materia oscura. La tecnología CCD de Skipper y SENSEI fueron llevados a la vida por los fondos de investigación y desarrollo dirigidos por laboratorios (LDRD) en Fermilab y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). Los programas de LDRD están destinados a proveer fondos para el desarrollo de ideas novedosas y de vanguardia para el descubrimiento científico. Los LDRD de Fermilab se adjudicaron hace poco menos de dos años, pero una estrecha colaboración entre los dos laboratorios ya ha producido el prometedor diseño de SENSEI, en parte gracias al trabajo previo del laboratorio de Berkeley en el diseño de CCD de patrón. Los fondos de Fermilab LDRD permiten a los investigadores probar los sensores y desarrollar detectores basados en la ciencia, y los fondos LDRD del laboratorio de Berkeley apoyan el diseño del sensor, que fue originalmente propuesto por el científico de Berkeley Lab, Steve Holland. "Es la combinación de los dos LDRDs lo que realmente hace SENSEI posible", dice Estrada. La futura investigación SENSEI también recibirá un impulso gracias a una reciente donación de la Fundación Heising-Simons. "SENSEI es muy cool, pero lo que es realmente impresionante es que el capitán CCD permitirá la ciencia SENSEI y un montón de otras aplicaciones", dice Estrada. "Los estudios astronómicos están limitados por la sensibilidad de sus mediciones experimentales, y tener sensores sin ruido es el equivalente a hacer que su telescopio sea más grande, más sensible". La tecnología SENSEI también puede ser crítica en la búsqueda de un cuarto tipo de neutrino, llamado el neutrino estéril, que parece ser aún más tímido que sus tres miembros de la familia neutrino notoriamente elusivos. Un detector SENSEI más grande equipado con más CCDs skipper será desplegado dentro del año. Es posible que no detecte nada, enviando a los investigadores de nuevo a la mesa de dibujo en la búsqueda de la materia oscura. O SENSEI podría finalmente hacer contacto con la materia oscura, y eso sería SENSEI-tional (sensacional). Nota del editor: Este artículo se basa en un artículo publicado por Fermilab. With a little help from Google Translate for Business