El avance tecnológico crea condiciones sin precedentes para detectar eventos ultra raros

Un equipo de científicos del Laboratorio de Instrumentación, Ingeniería Biomédica y Física de las Radiaciones (LIBPhys) de la Facultad de Ciencias y Tecnología de la Universidad de Coimbra (FCTUC) logró la mejor purificación del isótopo radiactivo 222 Radón (222Rn) de la historia, reduciendo su concentración a 430 átomos por tonelada de blanco de xenón líquido, un valor 5 veces inferior al obtenido por otros experimentos utilizando la misma tecnología.

Este resultado histórico, obtenido en el marco del experimento internacional XENONnT, un sistema con un nivel de sensibilidad sin precedentes en la detección de materia oscura, se publica en la prestigiosa revista Physical Review X.

XENONnT se construyó para la detección directa de materia oscura. Está instalado en el laboratorio subterráneo del Gran Sasso, en Italia, bajo 1300 metros de roca, para reducir drásticamente los niveles de radiación cósmica en comparación con los encontrados en la superficie de nuestro planeta. Este sistema utiliza seis toneladas de xenón ultrapurificado como objetivo.

Como explica José Matias-Lopes, coordinador del equipo portugués, «la radiación que atraviesa el objetivo generalmente puede producir pequeñas señales de luz y carga. La inmensa mayoría de estas señales (más del 99,99 %) se deben a radiación de origen conocido, lo que permite a los científicos calcular con gran precisión el número de eventos esperados».

El requisito más importante para medir eventos tan raros como los neutrinos y la materia oscura es que el objetivo tenga el nivel más bajo posible de radiación (radiación de fondo), de modo que pueda distinguir lo que se está midiendo. Para lograr un objetivo técnicamente tan exigente, son importantes todos los tipos de fuentes de radiación, incluyendo la radiación presente en el propio objetivo de xenón y la radiación de los materiales utilizados para construir el sistema de detección (XENONnT).

Según el investigador del Departamento de Física de la FCTUC, para hacer frente al más limitante de todos, la colaboración XENONnT logró reducir el nivel de contaminación del isótopo 222Rn a niveles sin precedentes gracias a una columna de destilación con un innovador sistema de bomba de calor criogénica, desarrollado especialmente para este fin por los expertos involucrados.

“Todos los materiales utilizados en XENONnT fueron cuidadosamente seleccionados (hasta el tornillo más pequeño) para tener el nivel de radiación más bajo posible”, revela el científico.

XENONnT apunta al lugar del planeta Tierra con la radiación de fondo más baja de toda la historia de la humanidad, iniciando así una nueva era en dirección a la materia oscura, al iniciar la detección de la niebla de neutrinos, donde coexisten con la materia oscura, que, por ser casi indistinguibles, dificulta su detección.

Por otra parte, el nivel de radiación extraordinariamente bajo alcanzado en este sistema también permite el estudio de un gran número de fenómenos particularmente raros, como la interacción de materia oscura en forma de axiones solares, partículas análogas a los axiones, neutrinos con momento magnético anómalo y la detección por dispersión elástica coherente de neutrino-núcleo (CEvNS).

"Con estas condiciones, XENONnT reafirma su posición como el mejor observatorio espacial de partículas de baja energía, ya que podrá realizar mediciones de neutrinos de alta precisión y buscar eventos extremadamente raros, como la doble desintegración beta de los isótopos de xenón 124 y 126. Además, podrá seguir probando la existencia de un gran número de candidatos a materia oscura, incluyendo partículas masivas de interacción muy débil (WIMP), hasta el límite de la niebla de neutrinos", concluye.