Más frío que el espacio. A más de 2 kilómetros bajo tierra. Más silencioso que el cero absoluto. Físicos ponen en marcha una trampa para la materia oscura.

Bajo una mina canadiense a más de dos kilómetros de profundidad, los físicos pusieron en funcionamiento uno de los experimentos más fríos del mundo. La instalación SuperCDMS alcanzó la temperatura base, tras lo cual el equipo pudo por primera vez activar los detectores y pasar de años de montaje a mediciones reales. Comenzó la fase principal del proyecto: la búsqueda de partículas de materia oscura que hasta ahora nadie ha detectado directamente.

Dentro del sistema la temperatura se mantiene a solo unos pocos milésimos de grado por encima del cero absoluto. En el espacio profundo suele ser más cálido. Ese enfriamiento extremo no se busca por la cifra en sí, sino por el silencio a nivel material. Cuando el material casi deja de vibrar por el calor, el ruido de fondo cae bruscamente. En ese entorno, los instrumentos pueden captar señales muy débiles que en condiciones normales simplemente se disolverían entre las interferencias.

Precisamente esas señales son las que persigue SuperCDMS. Según las estimaciones actuales, la materia oscura representa alrededor del 85% de toda la materia del Universo. Los astrónomos la detectan de forma indirecta: por el efecto de la gravedad sobre las galaxias y las grandes estructuras cósmicas. De qué está compuesta esa materia todavía no lo sabe la física. Una de las hipótesis principales plantea que las partículas de materia oscura atraviesan constantemente la Tierra y casi no interactúan con la materia ordinaria. Entonces la tarea del experimento subterráneo se reduce a un evento rarísimo: notar el momento en que una de esas partículas finalmente choca con átomos dentro del detector.

La directora de la colaboración, Priscilla Cushman, de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Minnesota, calificó el logro de alcanzar la temperatura base como el hito principal de años de trabajo para crear una instalación de bajo ruido de fondo para detectores sólidos criogénicos. Según su valoración, el régimen actual abre una nueva región de parámetros donde podrían ocultarse las partículas de materia oscura más ligeras. Para búsquedas de ese tipo esa sensibilidad es especialmente importante: cuanto menor es la masa de la partícula hipotética, menor la energía de una posible interacción y más fácil es pasar por alto la señal.

El problema principal en experimentos de este tipo no es solo el frío, sino también el fondo. Trazas de radioactividad, neutrones y partículas secundarias pueden producir señales parecidas a la buscada y frustrar la búsqueda. Por eso el equipo de la Universidad de Minnesota desarrolló por separado un sistema de protección alrededor de la instalación. La construcción es un cilindro de 4 metros de altura y 4 metros de diámetro. En su interior hay capas de plomo ultrapuro que detienen la radiación gamma y poliétileno denso que atenúa el flujo de neutrones.

Incluso bajo tierra el fondo no desaparece por completo. Los rayos cósmicos, al chocar con las paredes de la galería subterránea, pueden generar partículas que interfieren con las mediciones. Por esa razón SuperCDMS se ubicó en el laboratorio SNOLAB, que opera en una mina de níquel activa cerca de Sudbury, en la provincia de Ontario. La profundidad, de unos 6800 pies, es decir más de 2 kilómetros, proporciona una pantalla natural de roca y reduce notablemente el flujo de partículas procedentes de la superficie.

La Universidad de Minnesota no solo se ocupó de la protección y el montaje. Los investigadores ayudaron a instalar el sistema, a enfriarlo hasta el régimen de trabajo y, paralelamente, prepararon las herramientas para procesar los datos futuros. El equipo ya desarrolló algoritmos de reconstrucción y métodos de análisis que deben separar con rapidez las posibles señales de materia oscura de los eventos de fondo habituales una vez que comience la toma completa de datos en los próximos meses. En la parte científica destaca el profesor asociado Yan Lu, que lidera el grupo de trabajo de análisis.

La siguiente etapa llevará varios meses. Los físicos comenzarán a poner en marcha los detectores: activarán los canales de forma secuencial, los calibrarán, comprobarán la estabilidad y ajustarán finamente cada elemento del sistema. Solo después de esa puesta a punto la instalación podrá pasar a observaciones científicas plenas, cuando los eventos inusuales se consideren candidatos reales a nueva física y no artefactos del arranque.

Los instrumentos de SuperCDMS servirán no solo para la búsqueda de materia oscura. El experimento permitirá estudiar isótopos raros, trabajar en rangos de energía que antes apenas se habían medido y comprobar si en los datos se esconden tipos desconocidos de interacciones entre partículas. Estas instalaciones son valiosas por su amplitud de posibilidades: la búsqueda de una hipótesis a menudo produce resultados en otras áreas de la física de bajas energías.

El proyecto cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, de la National Science Foundation de Estados Unidos, de la Canada Foundation for Innovation y del Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingenierías de Canadá. En el equipo de la Universidad de Minnesota también participan los investigadores posdoctorales Shubham Pandey y Himangshu Neog, el investigador Scott Fellows y los doctorandos Zakari Williams, Elliott Tanner y Chi Kep. Para toda la colaboración, esta etapa significa algo muy concreto: años de preparación han concluido y ahora la instalación por primera vez comienza a escuchar con seriedad el espacio donde los físicos sospechan desde hace tiempo la presencia de materia invisible.