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El misterioso laboratorio subterráneo de Sierra Grande y el astrofísico que vive en Bariloche

El 31 de octubre, ámbitos científicos recordaron el día mundial de la materia oscura y, en esa dirección, el astrofísico y especialista en ese campo, doctor en Astrofísica Xavier Bertou, que vive en Bariloche, contó de qué se trata y cómo se detecta ese tipo de materia invisible y enigmática.

En un breve informe incluyó repasó los principales proyectos de investigación en curso en el país y en el campo de la materia oscura: el proyecto Andes y el laboratorio subterráneo de detección de partículas y radiación de Sierra Grande.

Además, presentó el caso de un estudiante de Física del Instituto Balseiro de Bariloche que, apasionado por la materia oscura, detalló de qué trata su proyecto integrador Spoiler, un detector de materia oscura.

Por otra parte, un informe de la Comisión Nacional de Energía Atómica refirió hace un tiempo que la mina de hierro de Sierra Grande, si bien es subterránea, dispone de un acceso horizontal y se puede llegar al nivel 480, donde estuvo instalado el laboratorio subterráneo.

El denominado Laboratorio Detección de Partículas y Radiación formó parte de un convenio entre MCC y la CNEA para la reactivación del proyecto. “Se está pensando ubicar en el nivel 380 un experimento a base de CCD para intentar observar una potencial modulación diaria de una señal de materia oscura. Esa modulación tiene un máximo en sitios a 40 grados de latitud Sur, haciendo de Sierra Grande uno de los mejores sitios en el mundo para esa búsqueda”, destacó por entonces el organismo nacional.

Antecedentes en mina Sierra Grande:
Búsqueda de materia oscura y axiones solares en el Laboratorio Subterráneo de Sierra Grande, 54Mn y 144Pm como cronómetros de rayos cósmicos.

Proyecto de un grupo del Tandar en 1994-1997, copiado sin modificación de su página web)

Integrantes: D.E.Di Gregorio, D.Abriola, A.O.Gattone y H.Huck.

Descripción

Este grupo se dedica a investigar teórica y experimentalmente en temas que están en la frontera entre la física nuclear, la física de partículas y la astrofísica; en particular ha realizado experimentos de búsqueda e identificación de candidatos a materia oscura (WIMPs = weakly interacting massive particles) y de axiones solares en el Laboratorio Subterráneo de Sierra Grande.

Resultados obtenidos

El Laboratorio de Sierra Grande, construido en mayo de 1994 en uno de los túneles (a 380 metros de profundidad) de la mina de hierro HIPARSA en Sierra Grande, constituyó el primer laboratorio subterráneo de ultra bajo fondo de Sudamérica. En el laboratorio se montó un detector de germanio de 1.033 kg de ultra bajo fondo cósmico rodeado por un blindaje de plomo hecho con material arqueológico de 2000 años de antigüedad y ladrillos contemporáneos con el objeto de protegerlo contra la radioactividad natural local de la mina.

La adquisición de datos en este experimento continuó en forma ininterrumpida desde el comienzo de la operación en junio de 1994 hasta fines de 1997; se colectaron datos por un período que se extendió 1.142 días.

El análisis de esos datos se centró en la posible identificación de candidatos a materia oscura por tres métodos: diagramas de exclusión, modulación diurna y modulación anual de la señal esperada. Además, se realizó un estudio para identificar en los datos, registros de señales producidas por la interacción de axiones provenientes del Sol con el cristal de germanio que constituye el detector. Esta línea de investigación continuó ampliándose a otros temas de astrofísica, en particular en colaboración con el grupo de Astrofísica Nuclear del Lawrence Berkeley National Laboratory, se realizaron determinaciones experimentales de las vidas medias del decaimiento beta del 54Mn y del 144Pm que son necesarias para utilizar esos isótopos como cronómetros de rayos cósmicos.

Materia oscura, se busca

Con motivo del “Día mundial de la materia oscura”, que se celebra cada 31 de octubre desde 2017, el científico Xavier Bertou, coordinador internacional del proyecto ANDES, explicó en una nota qué es este tipo de materia invisible y misteriosa y cuáles son los métodos para detectarla. Además, se incluye información sobre los proyectos Andes y Sierra Grande y las actividades que se realizaron durante ese día.

Fecha de publicación: 31/10/2019

El 31 de octubre no sólo se celebra “Halloween y el Día de los muertos” en muchos países del planeta, sino que también es el elegido para celebrar el “Día mundial de la materia oscura”. En Argentina, al igual que en otros países del mundo, a lo largo del día se realizaron actividades sobre la temática. En esta nota, un investigador del área que vive en Bariloche, cuenta de qué se trata este tipo de materia, qué métodos se pueden utilizar para detectar su invisible naturaleza y cuáles son los proyectos de investigación que se están impulsando en el país en este campo.

Ocurre que hay mucho más en el universo de lo que se puede observar utilizando diversos instrumentos, desde la Tierra o incluso desde el espacio. La tabla periódica de los elementos que se estudia en la escuela sólo describe el 4 por ciento de la materia, compuesta por los átomos, sus componentes conocidos y algunas que otras partículas del llamado modelo estándar de la física de partículas. El restante 96% del universo está compuesto por materia oscura y energía oscura, algo de lo que se sabe aún muy poco.

Invisible, pero presente


“La existencia de un nuevo tipo de materia, la materia oscura, es la mejor explicación que tenemos para entender lo que observamos en el Universo. A casi todas las escalas, desde las galaxias, cúmulos de galaxias, grandes estructuras, y hasta el universo en su conjunto, observando su radiación de fondo, remanente del Big Bang, encontramos discrepancias grandes entre cómo se comporta lo que observamos y como debería hacerlo por la materia que vemos”, señala el doctor en Astrofísica Xavier Bertou.

“Si suponemos que además de la materia conocida existe otra materia, en una relación del orden del 5 a 1, que no podemos ver pero que está presente, entonces todo cierra. Esa materia la llamamos materia oscura, ya que no la pudimos ver hasta ahora, solo pudimos inferir su existencia”, agrega el científico, que realizó su doctorado en la Universidad de París y es el coordinador del proyecto Andes en Argentina, una iniciativa internacional que busca, entre otros temas, conocer más sobre este tipo de materia.

“Cualquier información sobre su naturaleza sería de la mayor importancia debido a su impacto enorme en toda la historia de la formación del universo”, remarca el astrofísico, que trabaja en el grupo de Partículas y Campos del Centro Atómico Bariloche y que dirige estudiantes de grado y posgrado en el Instituto Balseiro, una institución de educación pública dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO).

¿Por qué se llama así a la materia oscura? “No interactúa o interactúa muy poco con la materia común, por eso la llamamos oscura y se complica mucho su observación. De alguna manera, si interactuase más, se vería fácilmente en el universo y por ende no sería materia oscura”, explica Bertou, que nació en Francia y se nacionalizó argentino. En la actualidad, es investigador de la CNEA y del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET).

Si no es posible observarla directamente, entonces, ¿cómo se sabe que está allí? Como destaca Clifford Pickover en “El Libro de la Física” (Ed. Librero), el astrónomo Fritz Zwicky estaba estudiando en 1933 el movimiento de las galaxias y detectó que había cierta cantidad de material galáctico que afectaba el movimiento pero que no aparecía a la vista. Más de 30 años más tarde, la australiana Vera Rubin, observando el movimiento de la Galaxia Andrómeda, obtuvo la primera evidencia de la existencia de materia oscura por los mismos efectos que Zwicky había detectado, los efectos gravitacionales.

“Sea cual sea la composición de la materia oscura, no emite ni refleja la cantidad suficiente de luz o de otro tipo de radiación electromagnética” que permita que se la observe de modo directo, informa Pickover en el citado libro. Y agrega: “Los científicos infieren su existencia debido a los efectos gravitatorios que causa en la materia visible, por ejemplo en las velocidades de rotación de las galaxias”.

A la caza de la materia oscura

Otra pregunta que se puede hacer en torno a esta temática es cómo los científicos buscan detectar este tipo de materia. Bertou explica que hasta ahora existen tres métodos. El primero implica buscar señales de la existencia de materia oscura en el Universo más allá de los efectos gravitacionales. “Por ejemplo, uno podría imaginar que dos partículas de materia oscura se aniquilen y produzcan rayos gamas, y entonces observarlos en galaxias donde uno espera fuerte abundancia de materia oscura”, dice Bertou.

El segundo método implica producirla. “Al chocar partículas de enormes energías, hay posibilidad de producir materia oscura que uno no podría observar directamente, pero cuya presencia se podría inferir al observar una falta de conservación de la energía o de la impulsión”, explica el investigador.

El tercer método apunta a la construcción de delicados detectores que “se dediquen esperar observar un choque de una partícula de materia oscura con algún material blanco del detector”, agrega Bertou, quien se dedica desde hace ocho años a perfeccionar este tipo de detectores en el laboratorio Detección de Partículas y Radiación del grupo de “Partículas y Campos” del Centro Atómico Bariloche, de la Comisión Nacional de Energía Atómica.

En busca de sacar provecho del tercer método citado, utilizando detectores, varios países del hemisferio Norte cuentan con sus laboratorios subterráneos: en Japón está Kamioka; en Canadá, SNOLAB; en España, Canfranc, y en Estados Unidos, SURF y Fermilab. Mientras tanto, también hay iniciativas en el Sur.

Uno de los proyectos internacionales en el campo de la materia oscura en el hemisferio Sur es Andes (por las siglas en inglés de “Agua Negra Deep Experiment Site”), bajo la coordinación de Bertou. Se trata de un laboratorio subterráneo ubicado a 1.750 metros de profundidad, en el túnel Agua Negra proyectado entre San Juan, Argentina, y Coquimbo, Chile. Se espera que abra en 2030.

“Se trata literalmente de estar dentro de la montaña, ya que estar ahí permite estar protegido de la radiación cósmica, uno de los tipos de radiación que existen en la superficie de la tierra”, explica Bertou. Allí se buscará detectar materia oscura y se trabajará con la física de neutrinos. “Se trata del laboratorio más importante del hemisferio sur en el campo de la materia oscura”, agrega el investigador.

Otro proyecto que se está llevando a cabo, también en Argentina, es el del laboratorio de Sierra Grande. Según informa su sitio web oficial, ese laboratorio estuvo en funcionamiento desde 1994 hasta 1997. Ahora se busca reactivarlo. Fue construido en uno de los túneles de la mina de hierro Hiparsa, a 380 metros de profundidad, en la provincia de Río Negro. “Durante aquel periodo la obtención de datos y su análisis apuntaron a la posible identificación de candidatos a materia oscura a través de múltiples métodos”, se informa en la descripción del proyecto.

En la actualidad, el grupo dirigido por Bertou en el Centro Atómico Bariloche se está trabajando para reactivar también el laboratorio subterráneo. Nicolás Ávalos, estudiante avanzado e investigador del LabDPR, colabora en el desarrollo de un detector de partículas que será instalado en ese lugar (Ver nota “Un estudiante del Balseiro…”).

Ante la consulta de por qué es importante estudiar la materia oscura en particular y de qué está hecho el universo en general, Bertou reflexiona: “Las preguntas sobre el universo, como se formó, de que está constituido, cómo evoluciona, donde estamos, hasta porqué estamos, me parecen preguntas fundamentales como ser humano y creo que eso es lo que motiva muchos de nosotros en investigar el tema”.

Charlas, conferencias y transmisiones en vivo son algunas de las actividades que se realizaron durante el jueves 31 de octubre en distintas ciudades del planeta en el contexto del Día mundial de la materia oscura. El Observatorio Austral Europeo (ESO) transmitió el documental “El Fantasma del Universo: la caza de la materia oscura”, con el objetivo de comunicar los principales descubrimientos de la materia oscura.

Bertou destaca que en Argentina, bajo la coordinación del Laboratorio de Detección de Partículas y Radiación del CAB y de Andes, también se realizaron múltiples actividades. No es casualidad que la fecha de celebración coincida con Halloween, pues, según el sitio oficial del Día mundial de la materia oscura, se ha elegido esa fecha como una forma de llamar la atención sobre la “naturaleza evasiva, misteriosa y etérea de la materia oscura”.

“Coordinamos varias actividades, con los planetarios en Argentina, con la Universidad Nacional de San Martín, el Instituto Balseiro y otros centros de estudio, con la ayuda de nuestra estudiante María Belén Lovino”, detalla Xavier Bertou. Por ejemplo, estudiantes universitarios fueron invitados a presentar sus propias obras en formato digital sobre esta temática. Las piezas seleccionadas serán exhibidas en los sitios web oficiales y redes de las instituciones involucradas.

Ahora bien, según destaca la agencia espacial NASA, de los Estados Unidos, comprender qué es la materia oscura puede ayudar a su vez “a comprender la formación y la evolución de galaxias y cúmulos, además de entender el tamaño, la forma y el futuro del universo”. La materia oscura desafía al entendimiento humano y los científicos no se rinden: desde laboratorios bajo la tierra, dejan volar su imaginación con la meta de traspasar la frontera del conocimiento.


Un estudiante del Balseiro desarrolla un detector de materia oscura

Nicolás Ávalos, oriundo de Buenos Aires y de 24 años, es estudiante avanzado de la Licenciatura en Física del Instituto Balseiro. Actualmente trabaja en su proyecto integrador dirigido por Xavier Bertou: “El experimento Dark Matter Daily Modulation”. Este proyecto se enmarca en la construcción del detector que se instalará en el laboratorio de Sierra Grande. “Mi colaboración se centra en todo lo necesario para la puesta en marcha del detector: armado de la cámara de vacío, la configuración de la placa de adquisición de datos, etc.”, detalla el joven.

Ávalos explica respecto al detector que se trata de un CCD (por las siglas en inglés de “Charge-Coupled Device”) que va a ser colocado a 400 m bajo tierra. “El objetivo del dispositivo es detectar la colisión de una “presunta partícula de materia oscura, (WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) contra los núcleos y electrones de la red de silicio que conforma al detector”, destaca.

Según indica el joven, en caso de detectar una señal, ésta se podrá ver en una imagen donde los eventos aparecen “como puntos blancos sobre un fondo negro”. Además, detalla que para obtener resultados óptimos es necesario reducir el ruido lo máximo posible: “Se necesita vacío, bajas temperaturas para evitar ruido térmico, aislarse de posibles fuentes radiactivas y un detector lo suficientemente sensible como para registrar eventos de muy baja energía. En todo esto se está trabajando en el laboratorio”.

Ávalos explica que el sistema solar produce, por su movimiento natural, un viento de materia oscura que viaja en la dirección opuesta. Sierra grande se ubica en un punto desde donde será posible detectar una modulación diaria que permitirá captar ese viento: “en un momento del día la materia oscura tiene que atravesar la tierra para llegar al detector y 12 hs más tarde se da la situación opuesta: la materia oscura llega directamente al sitio”, concluye el joven estudiante que continuará trabajando en este detector durante su tesis de Maestría en Ciencias Físicas, también en el Balseiro y en el laboratorio dirigido por Bertou.

Segunda parte de esta nota: Por Carla Allegreti /edición: Laura García Oviedo

Área de Comunicación Institucional
del Instituto Balseiro

San Carlos de Bariloche, 31/10/2019

Foto ilustrativa: Pido la palabra

Acerca de Raúl Díaz

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