Hemos ido componiendo a lo largo del último tercio del siglo XX y el comienzo del siglo XXI un puzle sorprendente del Universo, combinando información de todas las épocas de su evolución, escalas de distancias, y obtenida con técnicas muy diferentes. En el modelo cosmológico encajan todas estas observaciones de una forma satisfactoria, salvo por el pequeño detalle de que un 68% del Universo está en forma de una energía desconocida, la “energía oscura”, y el resto se reparte en un 27% de materia desconocida e invisible, la “materia oscura”, y nada más que un 5% de materia ordinaria, la que forma todo lo que conocemos.

Aunque la “materia oscura” domina la dinámica de las galaxias y de los cúmulos de galaxias y posibilitó la formación de estructuras en el Universo primitivo, no interacciona electromagnéticamente y, por lo tanto, ni emite ni absorbe luz. Tradicionalmente se la denomina “oscura”, aunque sería más adecuado hablar de materia invisible o transparente. Ninguna de las partículas que conocemos tiene las propiedades requeridas para explicar esta “materia oscura” y, por lo tanto, tenemos que buscar candidatos en teorías que vayan más allá del modelo estándar de la Física de Partículas. Partículas todavía hipotéticas como los axiones o los WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, partículas masivas que interaccionan débilmente), son dos de los candidatos preferidos, que, sin embargo, nadie ha visto todavía. En concreto los WIMPs, en caso de ser la “materia oscura”, formarían halos en torno a las galaxias, entre ellas la nuestra, y podríamos detectarlos de distintas maneras porque se acoplarían, aunque muy débilmente, a la materia normal. En la detección directa se investiga la interacción de estos WIMPs con los núcleos de un detector adecuado. Se requiere disponer de detectores muy sensibles, capaces de identificar los pequeños y poco frecuentes depósitos de energía que producirían estas partículas y, por lo tanto, desarrollar estrategias para aislar bien los detectores de todas las posibles radiaciones que pudieran interferir en la detección. Los experimentos se desarrollan en laboratorios subterráneos y protegidos por complejos blindajes anti-radiación.

Uno de estos experimentos es DAMA/LIBRA, en el Laboratorio del Gran Sasso en Italia. Consiste en 250 kg de yoduro de sodio dopado con Talio, material que emite destellos de luz tras la interacción con una partícula, generando una señal proporcional a la energía de la partícula. Tubos fotomultiplicadores extremadamente sensibles acoplados a los cristales de yoduro de sodio convierten esta luz en una señal eléctrica. El experimento DAMA/LIBRA ha observado una modulación anual en sus datos durante los últimos 20 años compatible con la que se esperaría que produjeran partículas de “materia oscura” distribuidas en el halo de nuestra galaxia. Esta modulación anual tiene su origen en el movimiento de la Tierra acompañando al Sol en su viaje alrededor del centro de la galaxia: la Tierra suma o resta su velocidad a la del Sol con periodicidad anual. Si nuestra galaxia tiene una componente de partículas de “materia oscura”, al movernos a través de ella, deberíamos ver cambiar el ritmo de interacción de dichas partículas con nuestros detectores con periodicidad anual a causa del cambio en la velocidad relativa. Es como notar en la cara el viento cuando vamos en moto, nos movemos nosotros contra el aire. De forma similar se espera detectar el viento de WIMPs en los laboratorios terrestres, de forma un poco más o menos intensa a lo largo del año.

Hasta la fecha, la observación de DAMA/LIBRA es el único indicio positivo de la detección directa de la “materia oscura”. Sin embargo, ningún otro experimento ha sido capaz de confirmar o refutar de una forma independiente del modelo de partícula y halo este resultado. Este es el objetivo del experimento ANAIS-112 de la Universidad de Zaragoza, que utiliza 112.5 kg de yoduro de sodio y está en fase de toma de datos en las instalaciones del Laboratorio Subterráneo de Canfranc, desde agosto de 2017.

El experimento ANAIS-112 es un experimento español alojado en una Instalación Científico-Técnica Singular (ICTS) del sistema de ciencia y tecnología español, el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), en Huesca (Aragón). Los investigadores de ANAIS llevan años trabajando para diseñar un experimento competitivo y capaz de poner a prueba el resultado de DAMA/LIBRA. ANAIS en estos momentos lidera en el contexto internacional los esfuerzos por confirmar o refutar dicho resultado.

Tras acumular tres años de datos, el experimento ANAIS-112 no ha observado modulación y es incompatible con el resultado de DAMA/LIBRA con un nivel de confianza superior al 99%. Es el primer experimento que, utilizando el mismo material como detector, ha alcanzado este logro. ANAIS-112 continuará tomando datos durante dos años más para alcanzar un nivel de confianza en el rechazo de la señal de DAMA/LIBRA superior al 99.9%.

Los resultados correspondientes a tres años de medida, junto con análisis complementarios y pruebas de consistencia de todo el procedimiento de análisis, han sido recientemente publicados en la revista Physical Review D https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.103.102005), estando disponibles también en abierto en: https://arxiv.org/abs/2103.01175.

Más información en: https://gifna.unizar.es/anais/?cat=10

El experimento ANAIS-112 está financiado por los proyectos FPA2017-83133-P, PID2019-104374GB-I00 de la AEI, el programa Consolider-Ingenio 2010 MultiDark CSD2009-00064, el consorcio para la explotación del LSC y el Gobierno de Aragón.