Desarrollan un prototipo para detectar materia oscura

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Cristal centelleador de BGO (dcha, en azul) y disco de germanio (izqda) utilizado para la detección de la luz emitida por el cristal. Imagen: IAS / SINC.

“Uno de los desafíos de la Física actual es averiguar la naturaleza de la materia oscura, que aunque parece constituir la cuarta parte de la materia del Universo, no se puede observar directamente; por lo que tratamos de detectarla con prototipos como el que hemos desarrollado”, explica a SINC Eduardo García Abancéns, investigador del Laboratorio de Física Nuclear y Astropartículas de la UNIZAR.

García Abancéns es uno de los científicos del proyecto ROSEBUD (acrónimo de Rare Objects SEarch with Bolometers UndergrounD), una colaboración internacional entre el Institut d'Astrophysique Spatiale (CNRS-Universidad de París-Sur, en Francia) y la Universidad de Zaragoza, dedicada a la búsqueda de materia oscura en la Vía Láctea.

Para esta misión los científicos trabajan desde hace una década en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (Huesca), donde han desarrollado varios detectores criogénicos (operan a temperaturas próximas al 0 absoluto: −273,15 °C). El último es un “bolómetro centelleador”, un dispositivo de 46 gramos que, en este caso, incorpora un cristal “centelleador” compuesto de bismuto, germanio y oxígeno (BGO: Bi4Ge3O12) que actúa como detector de la materia oscura.

“Esta técnica de detección está basada en la medida simultánea de la luz y el calor producidos en la interacción con el detector de las hipotéticas partículas WIMP (Weakly Interacting Massive Particles: partículas masivas débilmente interactivas que según diversos modelos teóricos explicarían la existencia de la materia oscura)”, indica García Abancéns.

El investigador explica que debido a la diferencia en el centelleo de las distintas partículas, este método permite discriminar las señales que producirían las partículas WIMP de otras producidas por diversos componentes del fondo radioactivo (como las partículas alfa, beta o gamma).

Para medir la minúscula cantidad de calor producido se requiere enfriar el detector a temperaturas próximas al 0 absoluto y para ello se ha instalado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc una instalación criogénica, blindada con ladrillos de plomo y polietileno, y protegida de la radiación cósmica por su situación bajo el monte Tobazo.

“Las prestaciones del nuevo bolómetro centelleador han sido excelentes, lo que demuestra su viabilidad como detector en experimentos de detección de materia oscura, además de como espectrómetro gamma (aparato que mide ese tipo de radiación) para monitorizar el fondo radiactivo en estos experimentos”, señala García Abancéns.

Actualmente el bolómetro centelleador se encuentra en el Centro Universitario de Orsay (Francia), donde el equipo trabaja en la optimización de la recogida de luz en el dispositivo y realizando pruebas con otros cristales de BGO.

Este trabajo, publicado recientemente en la revista Optical Materials, se enmarca dentro del proyecto europeo EURECA (European Underground Rare Event Calorimeter Array). Con esta iniciativa, en la que participan 16 instituciones europeas (entre ellas la Universidad de Zaragoza y el IAS), se pretende construir un detector criogénico de una tonelada y dedicarlo en la próxima década a la búsqueda de la materia oscura del Universo.

Métodos de detección de materia oscura

Para detectar la materia oscura, que no puede ser observada directamente debido a que no emite radiación, se utilizan métodos de detección directa e indirecta. Dentro de los primeros se incluye la detección simultánea de luz y calor (como la técnica de los bolómetros centelleadores), la detección simultánea de calor e ionización y la detección simultánea de luz e ionización, así como la investigación de señales distintivas (el caso más notable es la búsqueda de una modulación anual en la señal de la materia oscura debida al movimiento de traslación de la Tierra).

También existen métodos de detección indirecta, donde en lugar de buscar directamente las partículas de materia oscura, los investigadores tratan de detectar otras partículas (neutrinos, fotones,...) producidas como consecuencia de la aniquilación de las propias partículas de materia oscura en el Universo.

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Referencia bibliográfica:

N. Coron, E. García, J. Gironnet, J. Leblanc, P. de Marcillac, M. Martínez, Y. Ortigoza, A. Ortiz de Solórzano, C. Pobes, J. Puimedón, T. Redon, M.L. Sarsa, L. Torres y J.A. Villar. “A BGO scintillating bolometer as dark matter detector prototype”. Optical Materials 31(10): 1393-1397, 2009