DAMA/LIBRA, 20 años Detectando Materia Oscura | DAMA/LIBRA, 20 Years Detecting Dark Matter

in Cervantes2 months ago


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Representación artística de la distribución de la materia oscura en la Vía Láctea / Artistic representation of the distribution of dark matter in the Milky Way galaxy Fuente / Source

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DAMA/LIBRA, 20 años Detectando Materia Oscura

Existen decenas de experimentos a nivel mundial en busca de la elusiva partícula o grupo de ellas, que conforman la materia oscura, ya en una publicación anterior hablamos del LUX-ZEPLIN, uno de estos experimentos, sin embargo, ninguno de ellos ha dado aun con alguna prueba directa de su existencia, con excepción del controvertido experimento DAMA/LIBRA, el cual tiene más de 20 años, detectando una extraña fluctuación en la tasa de detecciones, que podría ser la primera prueba directa de su existencia. [1]

DAMA/LIBRA es un experimento de detección directa de materia oscura, situado en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, en las profundidades de la montaña Gran Sasso en Italia, está basado en una matriz de cristales de ioduro de sodio, la teoría es que cuando un WIMP, tipo hipotético de partícula de materia oscura, que es buscado por este experimento, golpea un núcleo atómico de uno de los cristales de ioduro de sodio, esta interacción produce un centelleo, que es detectado por fotomultiplicadores situados a ambos extremos del cristal, el estudio de la intensidad de este centelleo, permite determinar las posibles fuentes de la interacción. [1]

Al igual que como se explicó sobre el LUX-ZEPLIN, existen muchos factores que pueden afectar las detecciones de este tipo de experimentos, desde variaciones de temperatura y humedad, el efecto de los rayos cósmicos e incluso la radiación emitida por los propios minerales de la montaña donde se encuentran alojados. Para ello se han dispuesto contramedidas para atenuar el efecto de cada una de estas causas de posible ruido, adicionalmente el tratamiento estadístico de los datos permitiría, en última instancia, eliminar el efecto de cualquier posible falso positivo.

El caso es que DAMA/LIBRA, tiene más de veinte años operando, y durante los mismos, ha podido encontrar una fluctuación periódica de los ciclos de detecciones, encontrando que, el punto de más detecciones, se da en el mes de junio y el de menos detecciones se da en noviembre, esta periodicidad se ha repetido durante todos los años de operación del experimento, siendo el único detector alrededor del mundo, incluso de todos los basados en la misma técnica, que la ha detectado. [1][2]

Algunos investigadores han señalado que esta puede ser una muestra directa, de la detección de materia oscura y que la periodicidad estaría, asociada al movimiento del sistema solar, y la Tierra con él, a través de la galaxia, siendo mayor la detección en junio cuando la Tierra en su orbita se mueve en la misma dirección del movimiento del sistema solar, es decir se mueve más rápidamente a través de la materia oscura, lo que favorecería la detección y menor en noviembre, cuando se mueve de forma retrograda, por lo que se desplazaría menos rápido, lo que haría más escasas las detecciones. [1][2][5]

Si bien esta explicación parece coincidir con la periodicidad de las detecciones, lo cierto es que hay otra variedad de fenómenos que presenta una periodicidad similar, como las estaciones, que también podrían estar afectando el experimento de una manera inesperada y desconocida.

La investigadora Rita Bernabei de la Universidad de Roma Tor Vergata, Italia; ha llegado a afirmar que el que otros experimentos no hayan logrado replicar los resultados de DAMA/LIBRA, se debe a un sesgo en como están tratando sus datos, en el cual pueden estar descartando la detección de una partícula responsable de la señal que ellos han detectado. [2]

La afirmación de Bernabei ha sido ampliamente cuestionada, pues, parece estar sugiriendo la detección de una partícula que, formaría la materia oscura y no sería un WIMP, por lo que estaría interactuando con los núcleos de los cristales de ioduro de sodio, por un nuevo tipo de interacción, diferente a la débil. Además, sería un tipo de interacción muy específica, pues sólo podría ser encontrada en los detectores de Ioduro de Sodio. [2]

Un estudio independiente, publicado en 2021, realizado por el experimento ANAIS (Annual modulation with NaI Scintillators) situado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, en España, después de 3 años de tomas de datos, ha concluido que no existe ningún tipo de periodicidad en los datos de detecciones de partículas posiblemente asociadas a la materia oscura, un resultado similar fue obtenido por el experimento coreano COSINE-100, a cuyos datos posteriormente se le aplicó un tratamiento estadístico similar al usado por DAMA/LIBRA, llegando a mostrar también periodicidad, por lo que se supone que puede tratarse de algún tipo de efecto estadístico. [3][4]

Con el fin de tratar de solucionar la polémica causada por los datos de este experimento, en la actualidad se construyen dos detectores de Ioduro de Sodio de nueva generación, bajo la denominación de experimento SABRE (Sodium-iodide with Active Background REjection), uno de los detectores estaría situado en el Laboratorio Gran Sasso, en Italia, y el otro en el Stawell Underground Physics Laboratory, en Australia, situado en una mina de oro abandonada con una profundidad de 1 kilómetro, la idea de esto es tratar de replicar el experimento y descartar factores ambientales estacionales como temperatura, humedad, etc., que podrían estar afectando las detecciones. [1][5]

Uno de los principales inconvenientes del uso de cristales de ioduro de sodio, es que, sin importar su pureza, pueden contener átomos de potasio radioactivo, que cuando se desintegran, emiten un electrón y un fotón gamma, el electrón puede interactuar con los átomos de ioduro de sodio y provocar un centelleo. Para anular estos falsos positivos, la matriz de cristales de estos nuevos detectores estará sumergida en dos toneladas de alquilbenceno lineal, el cual es un líquido que tiene la propiedad de centellear cuando es excitado por un fotón gamma. Por lo que, si se detecta un doble centelleo, uno en los cristales y otro en el alquilbenceno, se consideraría nula la detección. [5]

De esta forma si el resultado de ambos detectores mostrase el mismo comportamiento periódico, pero desfasado por un periodo de seis meses, podría tratarse de la influencia de factores climáticos ambientales estacionales, mientras que si no hay desface o éste es diferente a seis meses, se descartaría la posible influencia de estos factores. [1]

Texto de @amart29, Barcelona, Venezuela, septiembre de 2022

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English


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DAMA/LIBRA, 20 Years Detecting Dark Matter

There are dozens of experiments worldwide in search of the elusive particle or group of them, which make up the dark matter, already in a previous publication we talked about LUX-ZEPLIN, one of these experiments, however, none of them has yet given any direct evidence of its existence, except for the controversial experiment DAMA/LIBRA, which is more than 20 years old, detecting a strange fluctuation in the rate of detections, which could be the first direct evidence of its existence. [1]

DAMA/LIBRA is a direct dark matter detection experiment, located at the Gran Sasso National Laboratory, deep in the Gran Sasso mountain in Italy, it is based on an array of sodium iodide crystals, the theory is that when a WIMP, hypothetical type of dark matter particle, which is sought by this experiment, hits an atomic nucleus of one of the sodium iodide crystals, this interaction produces a scintillation, which is detected by photomultipliers located at both ends of the crystal, the study of the intensity of this scintillation, allows to determine the possible sources of the interaction. [1]

As explained about the LUX-ZEPLIN, there are many factors that can affect the detections of this type of experiments, from temperature and humidity variations, the effect of cosmic rays and even the radiation emitted by the minerals of the mountain where they are housed. For this purpose, countermeasures have been provided to attenuate the effect of each of these causes of possible noise, and the statistical treatment of the data would ultimately eliminate the effect of any possible false positive.

The fact is that DAMA/LIBRA, has been operating for more than twenty years, and during these years, it has been able to find a periodic fluctuation of the detection cycles, finding that the point of more detections occurs in the month of June and the least detections occurs in November, this periodicity has been repeated during all the years of operation of the experiment, being the only detector around the world, even of all those based on the same technique, which has detected it. [1][2]

Some researchers have pointed out that this may be a direct sample of the detection of dark matter and that the periodicity would be associated with the movement of the solar system, and the Earth with it, through the galaxy, being greater detection in June when the Earth in its orbit moves in the same direction of the movement of the solar system, i.e. it moves faster through the dark matter, which would favor the detection and less in November, when it moves retrograde, so it would move less quickly, which would make the detections scarcer. [1][2][5]

Although this explanation seems to coincide with the periodicity of the detections, the truth is that there is another variety of phenomena that present a similar periodicity, such as the seasons, which could also be affecting the experiment in an unexpected and unknown way.

Researcher Rita Bernabei of the University of Rome Tor Vergata, Italy, has even stated that the failure of other experiments to replicate the DAMA/LIBRA results is due to a bias in the way they are treating their data, in which they may be discarding the detection of a particle responsible for the signal they have detected. [2]

Bernabei's statement has been widely questioned, since, he seems to be suggesting the detection of a particle that, would form the dark matter and would not be a WIMP, so it would be interacting with the nuclei of the sodium iodide crystals, by a new type of interaction, different from the weak one. Moreover, it would be a very specific type of interaction, as it could only be found in Sodium Iodide detectors. [2]

An independent study, published in 2021, performed by the ANAIS (Annual modulation with NaI Scintillators) experiment located at the Canfranc Underground Laboratory in Spain, after 3 years of data taking, has concluded that there is no periodicity of any kind in the data of detections of particles possibly associated with dark matter, a similar result was obtained by the Korean experiment COSINE-100, to whose data a statistical treatment similar to the one used by DAMA/LIBRA was applied, also showing periodicity, so it is assumed that it may be some kind of statistical effect. [3][4]

In order to try to solve the controversy caused by the data of this experiment, at present two new generation Sodium Iodide detectors are being built, under the denomination of SABRE (Sodium-iodide with Active Background REjection) experiment, one of the detectors would be located at the Gran Sasso Laboratory, in Italy, and the other one at the Stawell Underground Physics Laboratory, in Australia, located in an abandoned gold mine with a depth of 1 kilometer, the idea of this is to try to replicate the experiment and discard seasonal environmental factors such as temperature, humidity, etc. , that could be affecting the detections. [1][5]

One of the main drawbacks of using sodium iodide crystals, is that, regardless of their purity, they may contain radioactive potassium atoms, which when they disintegrate, emit an electron and a gamma photon, the electron may interact with the sodium iodide atoms and cause a scintillation. To nullify these false positives, the crystal array of these new detectors will be immersed in two tons of linear alkylbenzene, which is a liquid that has the property of scintillating when excited by a gamma photon. Thus, if a double scintillation is detected, one in the crystals and one in the alkylbenzene, the detection would be considered null. [5]

Thus if the result of both detectors showed the same periodic behavior, but offset by a period of six months, it could be the influence of seasonal environmental climatic factors, while if there is no offset or it is different from six months, the possible influence of these factors would be ruled out. [1]

Text of @amart29, Barcelona, Venezuela, September 2022


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Referencias / Sources

[1] Wikipedia, DAMA/LIBRA, Wikipedia.
[2] Villatoro, F., La oscilación anual DAMA/LIBRA alcanza las 12,9 sigmas, La Ciencia de la Mula Francis.
[3] Siegel, E., Goodbye, DAMA/LIBRA: World’s Most Controversial Dark Matter Experiment Fails Replication Test, Forbes.
[4] Wikipedia, ANAIS-112, Wikipedia.
[5] Veritasium en español, La absurda búsqueda de materia oscura, Veritasium en español.

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Maravilloso post @amart29, para leerlo y releerlo.
Gracias por tu búsqueda de contenidos en el universo.

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