A una milla bajo tierra, un letrero cuelga sobre la puerta del experimento de materia oscura LUX que les dice a los visitantes qué tan lejos está Wall Drug, en ambas dimensiones.

A una milla bajo tierra, un letrero cuelga sobre la puerta del experimento de materia oscura LUX que les dice a los visitantes qué tan lejos está Wall Drug, en ambas dimensiones.

Matthew R. Francis

Actualización, 6 de septiembre de 2021: Es el fin de semana del Día del Trabajo en los EE. UU., Y aunque la mayoría de nosotros seguimos llamando a casa “la oficina”, el personal de Ars se toma un fin de semana largo para descansar y relajarse. Y dado que no podemos viajar como pudimos durante los fines de semana del Día del Trabajo, pensamos en volver a visitar uno de nuestros viajes favoritos de los archivos. Esta historia sobre nuestra aventura en el experimento de materia oscura Large Underground Xenon (LUX) en Dakota del Sur se publicó originalmente en julio de 2014, y aparece sin cambios a continuación.

Uno de los lugares más tranquilos y oscuros del cosmos no está en las profundidades del espacio. Está en el centro de un tanque de xenón líquido frío en una mina de oro en las profundidades de Black Hills de Dakota del Sur. Debe ser así de silencioso: cualquier partícula perdida podría confundir a los detectores que recubren el exterior del tanque. Esos detectores buscan señales débiles y raras, que podrían revelar la presencia de materia oscura.

Todo el conjunto, el contenedor de xenón líquido y gaseoso, el tanque de agua que lo envuelve y todos los detectores, se llama Xenón subterráneo grande (LUX) experimento de materia oscura. Hasta el momento, LUX no ha encontrado nada, pero los días de su funcionamiento apenas comienzan: el detector se instaló y comenzó a funcionar el año pasado.

Aunque todavía es relativamente joven, LUX ya ha establecido muchos estándares para la búsqueda de partículas de materia oscura. Cuando visité, la instalación se estaba preparando para la próxima ejecución de recopilación de datos, que implicará 300 días de funcionamiento constante. El tamaño y la sensibilidad del experimento, la dedicación de sus diseñadores para comprender cualquier fuente de ruido y la relativa simplicidad del detector llevan a muchos a esperar que, si se encuentra alguna materia oscura, LUX, o su sucesor, la encontrará.

(Usaré “detector” para describir LUX en su conjunto, además de los detectores de fotones individuales que son el objetivo comercial del experimento. Espero que el contexto aclare cuál es cuál).

Ese último “si” es grande, por supuesto. La materia oscura es notable por su invisibilidad: no absorbe ni emite luz de ninguna longitud de onda. Lo sabemos por su acción gravitacional, la forma en que dio forma a las galaxias, organizó los objetos más grandes del Universo y afectó el espectro de luz desde los primeros días del cosmos. Basándose en la estructura de las galaxias, los astrónomos sospechan que está formado por partículas. Pero cuán masivas son esas partículas, cuántos tipos podrían existir y cómo interactúan son todavía cuestiones de algunas conjeturas.

El experimento LUX está dentro de un tanque de metal que contiene 71,600 galones de agua pura, por lo que el detector de xenón no es visible.  La cabeza en la parte inferior izquierda es el investigador de LUX Rick Gaitskell.

El experimento LUX está dentro de un tanque de metal que contiene 71,600 galones de agua pura, por lo que el detector de xenón no es visible. La cabeza en la parte inferior izquierda es el investigador de LUX Rick Gaitskell.

Matthew R. Francis

Si, por ejemplo, la materia oscura no interactúa con la materia ordinaria en cualquier escala que nuestra inteligencia experimental pueda alcanzar actualmente, LUX no arrojará nada, sin importar cuán sofisticado sea el experimento.

Rick Gaitskell, uno de los principales investigadores de LUX, es profesor en la Universidad de Brown en Estados Unidos. (Nació y se educó en Inglaterra, una herencia que se manifestó en su elección de vestimenta de traje de tres piezas de franela verde con calcetines de color rojo brillante). Le dijo a Ars: “He estado buscando materia oscura durante 27 años. Hemos tenido una serie de resultados a lo largo de los años en los que terminamos sin ver nada o uno o dos casos, hemos visto algo que parecía bastante emocionante, ya que mostró inicialmente muchas de las características que podría asociar con un interacción con la materia oscura “. Sin embargo, ninguno de ellos ha sido confirmado por experimentos posteriores, y la mayoría ahora tiene explicaciones mundanas.

Esta frustración pasada es parte de lo que impulsa a Gaitskell. Abandonó otro experimento cuando concluyó que era probable que nunca tuviera éxito: la tasa de detección, basada en cálculos, probablemente sería menos de una partícula de materia oscura por siglo por cada kilogramo de material detector. Para la mayoría de los materiales detectores, eso implica un costo prohibitivamente alto. Si desea encontrar materia oscura en la escala de uno o dos años, necesitará un detector con masas de varias toneladas métricas. Pero la masa es donde LUX y sus hermanos, como el Experimento XENON100 en Gran Sasso en Italia: sobresalir. El uso de xenón como medio de detección tiene muchas ventajas, incluida la capacidad de construir grandes.

Unicornios, Droga de pared y materia oscura.

La carcasa del laboratorio LUX tiene muchos pequeños unicornios de papel colocados en la parte superior de los racks de servidores y otros equipos.

La carcasa del laboratorio LUX tiene muchos pequeños unicornios de papel colocados en la parte superior de los racks de servidores y otros equipos.

Matthew R. Francis

Para comprender cómo LUX caza la materia oscura, decidí visitar el laboratorio y verlo por mí mismo. No está exactamente en un lugar que te haga pensar en física.

Llegué a Dakota del Sur durante los últimos estertores del invierno; a finales de marzo, Black Hills todavía estaba cubierto de nieve, pero el aire más cálido traía tentadoras insinuaciones de primavera. Afortunadamente, los vuelos cayeron entre las nevadas de finales de temporada, aunque nevó lo suficiente como para cubrir mi auto de alquiler durante mi día bajo tierra en LUX. Las Black Hills son montañas en miniatura, picos rocosos empinados que sobresalen por debajo de las estribaciones de la gran cordillera frontal de las Rocosas o los Tetones. Sin embargo, son montañas con todo lo que eso conlleva: nevadas repentinas, verjas que pueden cerrar las carreteras en caso de mal tiempo y carteles de “caída de rocas” por todas partes.

LUX es parte del Instalación de investigación subterránea de Sanford (SURF), ubicado en la ya desaparecida mina de oro Homestake en la ciudad de Lead. (La ironía de una mina de oro en Lead se desvaneció rápidamente. El nombre se pronuncia “leed”, no como el metal). Toda la región saca provecho de su pasado del Lejano Oeste, especialmente la ciudad adyacente de Deadwood. Todos los hoteles y gasolineras tienen máquinas tragamonedas e innumerables vallas publicitarias que anuncian grandes pagos en los casinos. Dakota del Sur, en general, tiene leyes irrestrictas sobre vallas publicitarias, como sabe cualquiera que cruce el estado en automóvil. Hay letreros para Wall Drug, Mount Rushmore y varios otros destinos turísticos que casi empequeñecen Continuando con esta tendencia, el laboratorio tiene su propio letrero de Drogas en la Pared, que muestra que la distancia es de 97 millas horizontalmente, más 2037 pies verticalmente.

Según los estándares publicitarios, Sanford y LUX son relativamente discretos. El laboratorio generalmente no está abierto al público. Para llegar a él, tuve que conducir a través de un vecindario residencial por calles empinadas (y en esa época del año) llenas de nieve. Debido a que el acceso a la parte subterránea del laboratorio requiere el funcionamiento de los elevadores de minería, conocidos como “jaulas”, tuve que presentarme a las 6 am para recibir capacitación en seguridad. Incluso con el desfase horario más o menos a mi favor, todavía era bastante pronto para ser funcional, aunque lo tenía mejor que el equipo de filmación de la BBC que llegó desde el Reino Unido.

La sesión informativa de seguridad consistió en gran parte en un video que nos informaba qué debíamos hacer si necesitáramos evacuar el laboratorio. Firmamos una renuncia. Incluso tuvimos que afirmar que tomaríamos “decisiones inteligentes”, algo aparentemente inútil para preguntarle a un grupo de periodistas sin experiencia minera entre ellos. Finalmente, antes de descender, tuvimos que ponernos botas de goma con punta de acero, overoles, gafas de seguridad, cascos con linternas y un aparato respiratorio de emergencia especial sujeto a un pesado cinturón de herramientas. Logramos un equipo de aspecto sexy al final del proceso.

Las jaulas en sí son lo suficientemente grandes para unas 15 personas, con rieles en el piso para los carros de minería. No tienen luces incorporadas, por lo que durante el descenso de 10 minutos, muchos miembros de la tripulación encendieron sus linternas de cascos. (Este no es un viaje para personas con claustrofobia). Incluso los motores que suben y bajan las jaulas son antiguos: se construyeron en 1939 y los carretes de cable son de hierro fundido. Los indicadores que muestran la posición de los ascensores son enormes discos con punteros, otro toque deliciosamente analógico.

Gaitskell trajo un altímetro de avión adaptado a nuestra jaula para mostrar en tiempo real cuánto estábamos descendiendo. Dado que la parte superior de la mina está aproximadamente a una milla sobre el nivel del mar y el laboratorio está a una milla bajo tierra, casi llegamos a la altura de mi ciudad natal de Richmond, Virginia. Mis oídos ciertamente registraron el cambio en la presión del aire.

Por rústico que sea el enfoque, el laboratorio en sí es una instalación moderna típica y elegante: todas las tuberías brillantes, escaleras de metal y pisos de baldosas. Abundan los accesorios típicos de la vida de oficina. Hay computadoras, pizarrones blancos, enfriadores de agua y (la pieza más necesaria del equipo de laboratorio) máquinas de café expreso, todo bajo tierra. La estudiante de doctorado de la University College London, Sally Shaw, me dijo: “Te olvidas de que estás bajo tierra”. Además, los investigadores han adornado el laboratorio con toques personales. Una señal de advertencia advierte a los visitantes que no alimenten a los científicos, y cuando miré a mi alrededor, vi algunos unicornios de papel en varios estantes. Shaw dijo que los unicornios probablemente comenzaron como un proyecto de aburrimiento nocturno, pero se convirtieron en una broma interna. Después de todo, la caza de materia oscura es como buscar unicornios.