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9/4/12 - DJ:

DEMOS un vistazo a la materia oscura

T.E.L: 10 min. 47 seg.

En la República Argentina se realizó hace varios años la única búsqueda de materia oscura que se haya realizado hasta ahora en Latinoamérica. Estuve con dos de los integrantes de ese equipo que llevaron a cabo el experimento DEMOS (“DEtección de Materia Oscura”).



Entre 1994 y 1999 se realizó en una mina de Sierra Grande, Río Negro, el experimento DEMOS llevado a cabo por científicos argentinos, en una colaboración internacional que incluyó también investigadores de la Universidad de Carolina del Sur y del Pacific Northwest Laboratory (PNL) de los EEUU y de la Universidad de Zaragoza, España. Por Argentina participaron entre otros, los Dres. en Física Aníbal Gattone y Daniel Di Gregorio del Laboratorio TANDAR (CNEA).
Me contacté con el Dr. Di Gregorio, actualmente vicerrector de la Universidad Nacional de San Martín, quien concedió una entrevista de la cual participó el Dr. Gattone.
De lo que se hablará aquí es de materia oscura. La evidencia de la existencia de materia oscura surge de las observaciones de la dinámica de ciertos objetos en el Universo (galaxias espirales, elípticas, cúmulos de galaxias y lentes gravitacionales) así como de simulaciones, que indican que estos objetos se mueven a velocidades mayores que las que debieran tener si se tomase en cuenta, exclusivamente, la atracción gravitatoria de la masa brillante detectable. Debe haber más masa (no brillante, ergo oscura) que está faltando para explicar las mayores velocidades observadas; o bien las teorías deberían reformularse (algo que se viene intentando también).
Existen en el mundo varios experimentos que buscan materia oscura. Dos ideas ingeniosas son la modulación anual y la diaria, que trataremos de abordar aquí.
El martes 13 de marzo a las 13:30 hs en dependencias de la universidad, fui recibido con mucha cordialidad por los Dres. Di Gregorio y Gattone, con quienes desarrollé la entrevista que transcribo a continuación.

¿Cómo se gestó el experimento de Sierra Grande?
El experimento se gesta a partir de la visita a la Argentina del Dr. Frank Avignone, de la Universidad de Carolina del Sur, quien fue entusiasmado por el Dr. Horacio Farach, un físico argentino radicado en los EE.UU., para que viniera a nuestro país a proponer el proyecto de detección de materia oscura. Frank Avignone estaba dedicado, en esa época, a realizar experimentos de detección de materia oscura en los EE.UU y en España, utilizando una técnica denominada modulación anual.
Juan Collar, uno de sus estudiantes, se interesó en el tema de la materia oscura y comenzó a trabajar sobre una nueva idea; consistía en usar al planeta Tierra como un escudo atenuador del flujo de materia oscura que llegara al detector. A este nuevo método lo denominó modulación diurna/diaria. Es decir se tendrían ahora dos maneras de identificar las partículas de materia oscura por sus marcas en el detector una de modulación anual y otra diurna o diaria.

¿Qué es la modulación anual?
La idea es la siguiente: el sistema solar se mueve alrededor del centro de nuestra galaxia (la Vía Láctea) a 220 km/s y la Tierra se mueve alrededor del Sol a 30 km/s. En alguna etapa de la rotación de la Tierra alrededor del Sol esas velocidades se suman (220 km/s + 30km/s) mientras que seis meses más tarde, éstas se restan (220 km/s – 30 km/s). Luego, el flujo de partículas de materia oscura que recibe un detector situado en la Tierra (girando alrededor del Sol y ambos alrededor de la galaxia), fluctúa durante un año alcanzando máximos y mínimos. A este fenómeno se lo denomina modulación anual.
Se han realizado en los últimos veinte años muchos experimentos que utilizan a la modulación anual como método de identificación de materia oscura. De hecho, uno de ellos, DAMA/LIBRA [1], declara que sus datos muestran modulación anual.
Fig. 1: Modulación anual. VII es la Tierra en Junio y en diciembre, moviéndose alrededor del Sol en distintas direcciones en relación al flujo de materia oscura (30km/s aprox) mientras la estrella se traslada alrededor del centro de la galaxia (Cygnus) a 220 km/s (aprox).Diagrama de Thomas Schwetz. DAMA/LIBRA.


¿Y la modulación diurna?
Ahí viene la idea de Juan Collar: ¿qué sucedería si la Tierra fuese un escudo atenuador? La idea básica es, en algún momento del día un detector situado en la Tierra enfrentará al flujo de partículas de materia oscura; doce horas más tarde, debido al giro de la Tierra sobre su eje, el detector se ocultará detrás de la Tierra, y si esas partículas de materia oscura interactúan (se dispersan) con la Tierra, entonces el flujo detectado será menor. Este fenómeno dará lugar a una modulación diurna/diaria. En inglés le pusieron "diurnal" pero nosotros, en español, reservamos esa palabra para lo que pasa por la mañana, la descripción más precisa debería ser "daily". Es decir, modulación diaria.

-Hay un trabajo, publicado por Avignone y Collar [2], en el que se determina que hay un rango de latitudes de la Tierra que sirven para maximizar el efecto de la modulación diurna.
Efectivamente, el eje de la Tierra con respecto al plano de rotación Tierra-Sol es de 23º y con respecto al plano de rotación del Sistema Solar y el centro de la galaxia es de 43º. Entre esas dos latitudes hay que encontrar el óptimo donde tengas la mayor fracción de Tierra que sirva de escudo.
El trabajo concluye que la mayor atenuación por efecto de la Tierra se produce a latitud sur en el rango de 35 a 45 grados. En nuestro planeta, esas latitudes se dan en Argentina, Chile, Australia y Sudáfrica. Este hecho y la existencia de grupos de físicos en nuestro país determinaron la propuesta de realizar el proyecto de Búsqueda de Materia Oscura por Modulación Diurna en la Argentina.

Una visita a la argentina y el paso adelante
Café de por medio, Di Gregorio y Gattone me contaron el origen del proyecto.
"En abril de 1992, Frank Avignone y Horacio Farach investigadores de la Universidad de Carolina del Sur, vinieron a la Argentina. Farach es un físico argentino nacido en 1923 y uno de los muchos científicos que debieron emigrar en 1966 después de la triste y conocida Noche de los Bastones Largos, cuando fuerzas policiales irrumpieron violentamente en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA. Estuvo radicado en los Estados Unidos hasta el 2006 año en que decidió regresar a Argentina.
Avignone, que por entonces era jefe del Departamento de Física y Astronomía de esa universidad norteamericana, presentó la idea de realizar un experimento de detección de materia oscura por modulación diurna en un seminario que se llevaba a cabo en el Instituto Argentino de Física del Espacio (IAFE) en Buenos Aires.
Fue entonces, después de la presentación de Avignone, que un grupo de físicos del laboratorio TANDAR de la CNEA, aceptamos el desafío y propusimos hacer el experimento en Argentina en colaboración de ellos".

La búsqueda y la gestión del lugar
El experimento requería la instalación de un laboratorio subterráneo a una profundidad de, al menos, 300 metros o una cobertura rocosa equivalente en un túnel en una montaña.

"La búsqueda comenzó primero en la provincia de San Juan hasta que dimos finalmente con el Dr. Isidoro Schalamuk, por entonces Decano de la Facultad de Ciencias Naturales y Museo de la Universidad Nacional de La Plata. El Dr. Schalamuk, un geólogo que conocía casi todas las minas de Argentina, fue quien nos indicó el lugar, la mina de hierro HIPASAM (Hierro Patagónico Sociedad Anónima) situada en Sierra Grande, provincia de Río Negro. Por entonces, mediados de 1992, la mina se encontraba cerrada e intervenida por el gobierno nacional. En 1993la mina fue transferida a la provincia, comenzó a denominarse HIPARSA, y se reactivaron parcialmente las actividades de explotación. Nosotros realizamos una gestión ante el entonces gobernador de la provincia, Dr. Hugo Massaccesi. Esas gestiones afortunadamente resultaron satisfactorias y fuimos autorizados a usar un lugar en un túnel de la mina a 380 metros de profundidad para instalar un detector en el laboratorio subterráneo. La instalación se realizó en la segunda quincena de mayo de 1994".



Imagen 2: Termo que contenía al detector de germanio.

El detector
El detector consiste en un cristal de germanio refrigerado en un termo que contiene nitrógeno líquido. Este instrumento, capaz de generar una señal por choque con partículas de materia oscura, también es capaz de recibir señales producidas por otras partículas: muones, neutrones, rayos cósmicos o radiaciones electromagnéticas conocidas. Puesto el detector “desnudo” y sobre el nivel del mar, recibiría muchas señales conocidas que impediría “ver” a aquellas partículas potencialmente provenientes de la materia oscura. Con el objeto de disminuir el flujo de señales conocidas se provee al detector con varios filtros selectivos. Los centenares de metros de roca permiten disminuir el flujo de muones producidos por los rayos cósmicos en la atmósfera y que llegan a la superficie terrestre. Para filtrar la radiactividad natural presente localmente en las vecindades del detector, se lo blinda y aísla con varias capas de ladrillos de plomo de aproximadamente un metro cúbico de volumen. Bloques de parafina y láminas de cadmio, externos al blindaje de plomo, se usan para suprimir la presencia de neutrones.

Un castillo de plomo
El blindaje con ladrillos de plomo adquirió la forma de castillo en forma de cubo con aristas de aproximadamente un metro de lado. El castillo estaba formado por capas o paredes hechas con ladrillos de plomo que tenían tres procedencias diferentes: plomo romano de 2.000 años de antigüedad, plomo alemán destilado hace 70 años y plomo más contemporáneo.
El plomo romano que blindaba al detector en las primeras capas, fue provisto por los investigadores españoles, miembros de la colaboración. Este plomo había sido rescatado de galeones romanos hundidos en las profundidades del mar de las costas de España. Naturalmente el plomo tiene un isótopo, el 210, que es radiactivo con una vida media de 22 años. Ese isótopo después de 2000 años decayó casi 100 vidas medias y dejó de tener radiactividad remanente. Cuanto más antiguo menos radiactividad remanente proveniente del isótopo plomo-210 y consecuentemente los ladrillos de plomo están más “limpios” desde el punto de vista radiactivo y blindan (protegen) mejor al detector de germanio.

Sierra grande en google maps
Sierra Grande es una localidad que pertenece al Departamento de San Antonio, en el sudeste de la Provincia de Río Negro. Se encuentra a 41º36' Latitud Sur, 65º21'Longitud Oeste. Se puede ver en Google Maps

-El objetivo del experimento ¿se cumplió?
-No logramos identificar un candidato si ese es el sentido de la pregunta. Pero avanzamos sustancialmente en la reducción de posibilidades. La probabilidad de detección depende de dos variables; la probabilidad de interacción con un átomo de nuestro detector, llamada constante de acoplamiento, y de la masa del candidato a materia oscura. Estas dos propiedades caracterizan a la materia oscura. Al tener un detector único en el mundo, en condiciones también únicas, no identificar una señal significa que muchas otras señales que otros experimentos no pueden resolver y el nuestro si, quedan inmediatamente descartadas. En jerga decimos que cerramos un poco más la ventana de posibilidades. Pero, claramente, no vimos una señal de identificación.
La colaboración científica que lleva adelante el experimento DAMA/LIBRA por otra parte, está hablando de identificación. Ellos ven la curva de oscilación anual y dicen: “yo identifico la masa y la constante de acoplamiento porque sólo una masa y una constante de acoplamiento pueden explicar mis datos”. Eso es identificación.


Imagen 3: Los Dres. Di Gregorio y Gattone limpiando ladrillos plomo en una sala experimental del Laboratorio Tandar en el Centro Atómico Constituyentes

-¿Y ustedes qué esperaban encontrar, es decir, neutrinos, neutralinos?
-Nuestro detector funcionaba por “retroceso”. Una partícula de materia oscura le “pega” a un átomo de germanio (el material del cristal), lo hace retroceder, éste ioniza a sus vecinos (o sea, les saca los electrones de sus órbitas) y el voltaje al que está mantenido el detector se lleva esos electrones hacia el ánodo generando un pulso eléctrico. Esto es lo que medimos; intensidad del pulso y su energía. Para que el retroceso ocurra, la masa del candidato debe ser comparable a la del átomo de germanio; si fuese muy liviana el átomo ni se entera (una bala le hace un agujero a un camión pero no lo hace retroceder) y si fuese muy pesada, la señal sería tan clara que alguien ya la hubiese visto. O sea, con DEMOS buscábamos candidatos así llamado “pesados”. En inglés se los denomina WIMPs, (Weakly Interacting Massive Particles). Estos son candidatos a materia oscura fría porque su energía cinética es menor que su masa.
Los neutrinos tienen una masa minúscula y no podríamos detectarlos. Los neutralinos no han sido detectados aún, pero la teoría sugiere que no tienen masa o ésta es muy pequeña; tampoco podríamos detectarlos. Estos son candidatos a materia oscura caliente.

-¿Y axiones?
-Con un detector de muy bajo fondo como el nuestro se pueden medir magnitudes que se manifiesten con señales muy bajas porque estamos preparados para buscarlas. Una de ellas es la constante de acoplamiento axial. Esto ocurre dentro del cristal del detector; no depende de nada que viene de afuera y tiene que ver con el comportamiento de los protones y neutrones dentro del núcleo de cada átomo de germanio. Está relacionado con la forma en que protones y neutrones reaccionan ante una hipotética partícula virtual denominada “axión”. Lo que logramos, al igual que en el caso anterior es poner nuevas cotas a la intensidad de esta interacción.

-También escribieron un artículo sobre la utilización de un imán del LHC para detectar axiones. [3]-
-Esa fue otra idea de Juan Collar y sirvió para lo mismo, para poner una cota, pero no para identificar.

ANDES
El túnel de Agua Negra, en lo que se denomina Corredor Bioceánico, es una posibilidad patente de realización. La entrevista se realizó unos días antes de la visita de la Presidenta Cristina Fernández a Chile, donde entre otros temas se dialogaría de ese proyecto con el presidente Piñera. ANDES [4] es la posibilidad de instalar en ese túnel un conjunto de experimentos científicos en un laboratorio subterráneo, entre los cuales podría haber alguno similar a DEMOS. Pero todo depende de la construcción del Túnel. "Si existe Agua Negra, lo más probable es que ANDES se haga", me señaló Gattone. Y Di Gregorio añadió: "Con la ventaja comparativa de que es ad hoc, es decir, desde cero".

DEMOS UN FINAL
Puede que el lector piense que el resultado del experimento no haya sido satisfactorio y que, por ende, toda la experiencia haya sido en vano. Permítame contar cómo llegué a la UNSAM. Comencé a buscar papers sobre materia oscura y Argentina. El primero que hallé es un abstract de Robert Foot [5] de la Universidad de Melbourne en el que señala que si el detector CoGeNT (en la mina Soudan, Minnesota) -experimento en el que interviene Juan Collar- se mudara a Sierra Grande, se podría obtener un descubrimiento (5 sigma; es decir con más de cinco desviaciones estándares) en 30 días de operación. El trabajo de Foot es de noviembre de 2011.
Por otro lado, de realizarse ANDES, la experiencia en DEMOS sería valiosa. Y lo es, de todos modos, por lo señalado antes, por restringir las posibilidades, que en general de eso se trata la ciencia. Pero es también un fabuloso esfuerzo, poco conocido y reconocido por el público general, de buscar un componente nada menor del universo.
Me fui de UNSAM pensando que pude estrechar la mano de dos físicos argentinos que deberían formar parte de cualquier narración histórica de la búsqueda de materia que compone un 23% de la masa del universo. En el viaje de vuelta se me ocurrió que una de las analogías usadas en la entrevista se había convertido en realidad. En cierta medida, el trabajo de los investigadores argentinos pasa muchas veces desapercibido, cual WIMPs, y algunas “gestas épicas” –en el marco de la ciencia- se hacen difíciles de detectar, son oscuras. Hasta que por alguna razón, ¡Tac! se produce una colisión. Y un descubrimiento que arroja luz al pasado.

Nota escrita para el XXX Carnaval de la física, en esta edición hospedado por Enciclopedia Galáctica. Para unirse y leer las entradas existe una red social en Ning.

Fuentes y links relacionados

  • [1]DAMA es un proyecto que contiene a varios experimentos en busca de materia oscura. En el experimento DAMA/LIBRA se afirma que identificaron la modulación anual.
    http://people.roma2.infn.it/~dama/web/home.html
  • [2] Effect of elastic scattering in the Earth on cold dark matter experiments
    J. I. Collar and F. T. Avignone, III
    Phys. Rev. D 47, 5238–5246 (1993)
    DOI : 10.1103/PhysRevD.47.5238
  • [3] A Decommissioned LHC Model Magnet as an Axion Telescope
    K. Zioutas, C.E. Aalseth et al
    arXiv:astro-ph/9801176v2
  • [4] Laboratorio Subterráneo ANDES
    http://fisica.cab.cnea.gov.ar/particulas/experiments/laboratorio_subterraneo/
  • [5] Diurnal modulation due to self-interacting mirror and hidden sector dark matter
    R. Foot
    arXiv:1110.2908v3 [hep-ph]




Papers publicados por la colaboración (algunos)
  • Effects of Diurnal Modulation in Direct Cold Dark Matter Searches. the Experiment in Sierra Grande
    D.E. Di Gregorio, A. Gattone, H. Huck, A.O. Macchiavelli, S. Gil, J. Collar, F.T. Avignone III
    arXiv:astro-ph/9311049v1
  • Search for an annual modulation of dark-matter signals with a germanium spectrometer at the Sierra Grande Laboratory
    D. Abriola, F.T. Avignone III et al
    Astroparticle Physics Volume 10, Issues 2–3, Pages 133-273 (March 1999)
    arXiv:astro-ph/9809018v2
    DOI: 10.1016/S0927-6505(98)00047-4
  • Cold dark matter identification: Diurnal modulation reexamined
    F. Hasenbalg, D. Abriola et al
    Nuclear Physics B - Proceedings Supplements Volume 70, Issues 1–3, January 1999, Pages 114–116
    10.1016/S0920-5632(98)00399-5
    arXiv:astro-ph/9702165v2



Otras publicaciones relacionadas
  • Búsqueda de materia oscura en Argentina, por el Dr. Aníbal Gattone, en Mirando al cielo con frialdad, por Héctor Rubinstein, Ciencia Hoy Vol. 7 Nº 39 (1997)
    http://www.cienciahoy.org.ar/hoy39/cielo.htm
  • Búsqueda de Materia Oscura y Axiones Solares en el Laboratorio Subterráneo de Sierra Grande
    http://www.tandar.cnea.gov.ar/grupos/astropar/moscura.html



Sobre las imágenes
  • Fig. 1: Imagen tomada de una presentación de Thomas Schwetz: “Dark Matter and the DAMA/LIBRA annual modulation signal”, T. Schwetz, SFB meeting Munich, 29 Jan 2009.
    Se puede ver otro diagrama (con la galaxia dibujada como vista desde arriba, en http://math.temple.edu/~cmartoff/transps/drift/index.html )
  • Imagen inicial: Los Dres. Di Gregorio y Gattone posando en la oficina del primero en UNSAM fotografiados por el autor de la nota.
  • Imágenes 2 y 3: Crédito: Dr. Daniel Di Gregorio.




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