¿Qué queríamos saber?
Uno de los problemas más interesantes que tiene en jaque a la Física es el de la materia oscura. La materia oscura constituye el 27% del contenido de materia y energía del Universo y su naturaleza sigue siendo totalmente desconocida. Se llama materia oscura porque ni emite ni absorbe luz de ningún color, aunque realmente deberíamos denominarla materia invisible o transparente. La materia oscura no sale en las fotos que tomamos del Universo y, sin embargo, vemos que modifica el movimiento de otros objetos a causa de su efecto gravitatorio sobre ellos.
Un experimento italiano (DAMA/LIBRA, que toma datos en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso) lleva más de 20 años informando de una señal que interpretan como evidencia de la detección de la materia oscura galáctica: una modulación anual en el ritmo de detección de sus 250kg de detectores hechos de yoduro de sodio, un material que emite pequeños destellos de luz cuando interaccionan en él partículas o radiación.
Esta modulación anual (Fig. 1) tiene su origen en que nos estamos moviendo a lo largo del año junto con el Sol en torno al centro de la Vía Láctea, nuestra galaxia. Como todas las galaxias, la Vía Láctea está rodeada por un halo de materia oscura. Durante una parte del año el movimiento de la Tierra se suma al del Sol, pero el resto del tiempo se resta y por eso nos movemos más o menos rápido al chocar contra la materia oscura en función de si estamos en verano (cuando se suman las velocidades) o en invierno (cuando se restan).
El resultado de DAMA/LIBRA no ha sido hasta la fecha confirmado o rechazado de forma concluyente porque la señal que se espera que produzca la materia oscura depende de cuál es su naturaleza y esta es desconocida. Por este motivo, aunque otros experimentos muy sensibles no han observado nada, no podemos asegurar la incompatibilidad entre experimentos y, por tanto, el rechazo del resultado. Este hecho ha generado durante más de 20 años un problema: ¿cómo comprobar el resultado del experimento DAMA/LIBRA?
Esta es la pregunta que quisimos contestar proponiendo el experimento ANAIS: confirmar o refutar el resultado del experimento DAMA/LIBRA utilizando el mismo tipo de detectores que utilizan ellos. (Fig. 2).
¿Cómo lo hemos hecho?
Desde mitad de los años 80 del siglo pasado, en laboratorios acondicionados en el túnel del Somport (cerca de la localidad oscense de Canfranc), investigadores de la Universidad de Zaragoza han desarrollado experimentos muy especiales que requieren muy bajos niveles de radiactividad. La montaña hace de paraguas que protege de la radiación cósmica que nos baña de forma continua en la superficie terrestre (Fig. 3).
Además, es necesario utilizar un blindaje adecuado para proteger los detectores de distintas fuentes de radiación: todo es radiactivo, el aire, la roca de la montaña, el agua, los científicos que preparamos los experimentos, etc. Por eso los tenemos que proteger todo lo posible si queremos ver unas partículas como las de materia oscura prácticamente invisibles, que interaccionan muy poco con cualquier material. (Fig. 4)
El experimento ANAIS ha diseñado unos detectores con características similares a los operados por DAMA/LIBRA y los ha colocado en el laboratorio subterráneo de Canfranc, bajo 850 metros de roca que equivalen a unos 2450 metros de agua . ANAIS usa 112.5 kg de detectores de yoduro de sodio y está tomando datos en desde 2017 porque tiene que acumular mucho tiempo de medida para ser sensible a la señal de DAMA/LIBRA, ya que además tiene menos detectores (menos masa de detección). Aun así, los cálculos realizados indicaban que el experimento podría ver la señal de DAMA/LIBRA en 5 años de medida, si su origen fuera la materia oscura de nuestra galaxia.
¿Qué hemos obtenido?
Los resultados de ANAIS en estos 6 años de funcionamiento han mostrado que aumentar el tiempo de medida ha permitido mejorar la sensibilidad al resultado de DAMA/LIBRA y el significado estadístico de la incompatibilidad entre los dos experimentos, en este caso.
Los últimos resultados de ANAIS son incompatibles con la modulación de DAMA/LIBRA con un nivel de confianza de 4 desviaciones estándar (4 sigmas). Esto quiere decir que, si la señal observada por DAMA/LIBRA fuese producida efectivamente por la materia oscura, e hiciéramos muchos experimentos como ANAIS intentando reproducirla, solo uno de cada 15000 experimentos obtendría un resultado tan alejado del de DAMA/LIBRA como el que obtenemos en ANAIS. Hay que tener mala suerte ¿verdad? El tratamiento estadístico nos permite cuantificar la improbabilidad de algunas cosas que, sin embargo, son posibles.
Y todo esto, ¿para qué?
La ciencia avanza comprobando hipótesis y haciendo experimentos y observaciones con instrumentos cada vez más sensibles. Se requiere entender muy bien los instrumentos de medida antes de asegurar que se han hecho con ellos descubrimientos. En este caso, confirmar el resultado de DAMA/LIBRA habría supuesto detectar por primera vez de forma directa la materia oscura del Universo. Sin embargo, no confirmarlo indica que es posible que el resultado de DAMA/LIBRA se deba a algún efecto sistemático no tenido en cuenta y no a la materia oscura. La comparación entre DAMA/LIBRA y ANAIS también puede estar afectada por efectos sistemáticos, lo que todavía deja la puerta abierta a que los científicos sigamos trabajando para entender qué ha visto DAMA/LIBRA, aunque parece difícil que sea la materia oscura (Fig. 5).
Glosario
Instrumental para detectar ciertos tipos de radiación. El yoduro de sodio dopado con Talio emite luz cuando las partículas que lo atraviesan depositan energía en el detector. Esta luz es convertida después en una señal eléctrica mediante tubos fotomultiplicadores.
Nombres de experimentos que utilizan detectores de yoduro de sodio con el objetivo de detectar la presencia de la materia oscura en el Universo buscando modulación anual en sus datos.
Es una medida de cómo se desvían los datos de una serie de resultados de su valor medio. Por lo tanto, se utiliza como medida de la incertidumbre asociada a una medida.
Laboratorio gestionado por un consorcio entre el Ministerio de Ciencia y Tecnología, la Universidad de Zaragoza y el Gobierno de Aragón para la realización de experimentos que requieren aislamiento de la radiación cósmica. Se encuentra bajo El Tobazo (Pirineo oscense) con una cobertura de 850 metros de roca. Se accede por el túnel de Somport, que conecta España y Francia. Uno de los experimentos que se desarrollan en sus instalaciones es el experimento ANAIS.
Dos resultados son incompatibles estadísticamente cuando la probabilidad de que los dos sean correctos es baja. Esta incompatibilidad suele medirse a través del número de desviaciones estándar que separan los dos resultados. Si este número de desviaciones es alto, la probabilidad de que los dos resultados puedan ser correctos a la vez es muy baja.
Son partículas altamente energéticas que llegan a la Tierra procedentes del Sol y otros objetos celestes. Los más energéticos proceden en muchas ocasiones de fuera de nuestra galaxia. Esta radiación cósmica primaria produce cascadas de partículas al interaccionar con los átomos de la atmósfera. La así producida radiación cósmica secundaria es como una lluvia que baña constantemente la superficie de la tierra y de la que se tienen que proteger los experimentos de búsqueda de materia oscura.
RECURSOS DEL ARTÍCULO
Artículos originales:
First results on dark matter annual modulation from ANAIS-112 experiment. J. Amaré et al. Physical Review Letters 123 (2019) 031301
Towards a robust model-independent test of the DAMA/LIBRA dark matter signal: ANAIS-112 results with six years of data. J. Amaré et al. Accepted for publication to Physical Review Letters 135 (2025) 051001
Artículo adaptado por:
Marisa Sarsa Sarsa
Grupo de Investigación GIFNA (Grupo de física nuclear y astroparticulas)
Centro de Astropartículas y Física de Altas Energías (Unizar)
Ana Aragües Díaz y Mª Eugenia Dies Álvarez
Grupo Beagle de Investigación en Didáctica de las Ciencias Naturales (Gobierno de Aragón)
Instituto Universitario de Investigación en Ciencias Ambientales de Aragón (Unizar)
