Investigadores del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), a través de la colaboración del experimento NEXT en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), publicaron recientemente en la revista Physical Review X la primera observación experimental de radiación de frenado o bremsstrahlung neutro en xenón, siguiendo la predicción teórica a lo largo de 5 órdenes de magnitud. La demostración de esta radiación resuelve una búsqueda que se remonta a 2017 cuando se observaron por primera vez señales de centelleo de origen desconocido y establece nuevos límites a la sensibilidad de detectores como NEXT que lideran la búsqueda de materia oscura y neutrinos en la actualidad empleando cámaras de proyección temporal (TPC, Time Projection Chambers).
Cuando la radiación ionizante interactúa con el xenón gaseoso de la cámara de NEXT, se emiten grandes cantidades de luz ultravioleta en determinadas longitudes de onda (alrededor de 172nm), lo que constituye el mecanismo de detección utilizado en las búsquedas de materia oscura y estudios de física de neutrinos basados en elementos nobles. Sin embargo, los investigadores venían observando desde 2017 una contribución adicional, cuyo origen no conseguían identificar hasta ahora. Este nuevo tipo de luz causada por la dispersión de electrones en átomos neutros se denomina emisión de bremsstrahlung neutro o de polarización, y es debida a la interacción entre la partícula cargada y el átomo de xenon, a través del momento dipolar inducido de este último.
“La presencia de fotones individuales en coincidencia con la interacción de radiación de alta energía o ‘ruido’ procedente de regiones en teoría inactivas del detector, así como la presencia de electroluminiscencia a energías inferiores a las necesarias para excitar el medio sugerían la presencia de un mecanismo de radiación diferente del convencional”, explica el investigador del IGFAE Diego González Díaz, uno de los autores de este trabajo y quien propuso y desarrolló el experimento inicial. “Durante varios años se consideraron estos fenómenos como independientes, hasta que en diciembre de 2019 realizamos un experimento cuidadoso en colaboración con la Universidad de Coimbra y la Universidad de Aveiro para resolver el misterio”.
Un misterio resuelto
Además de establecer la presencia de este centelleo en los actuales experimentos líderes en la búsqueda de materia oscura y el origen común de una serie de observaciones aparentemente disconexas por parte del experimento NEXT, una de las revelaciones más interesantes que se extraen de este trabajo es que la emisión resultante es altamente independiente de la longitud de onda (algo análogo a otros procesos de tipo radiativo, como la radiación Cherenkov), lo que ofrece un atractivo tecnológico que los investigadores están estudiando cómo explotar. En particular, se abre la posibilidad de registrar la ionización primaria en detectores basados en elementos nobles en fase líquida, usando para ello la radiación de frenado producida en una región electrificada. Esto permitiría aumentar la sensibilidad a la energía de los eventos primarios en unos 4 o 5 órdenes de magnitud, sin la complejidad de tener que operar el detector en equilibrio líquido-vapor, como se ha hecho hasta la fecha.
“En la actualidad estamos realizando medidas de centelleo absoluto en otros elementos nobles y moleculares para estudiar la dependencia de la emisión con el tipo de medio, así como explorar los límites del marco teórico implementado por Pablo Amedo Martínez, estudiante de doctorado del IGFAE. Nos gustaría también emprender un estudio detallado del espectro de emisión, lo que requiere modificaciones importantes de nuestros dispositivos experimentales, que todavía estamos evaluando”, concluye Diego González Díaz.
NEXT es una colaboración internacional liderada por grupos españoles y estadounidenses. Actualmente, más de 100 personas de más de 20 instituciones participan en el experimento. En España, además del IGFAE de la Universidad de Santiago de Compostela (USC), se encuentran el Centro de Física de Materiales (CFM), el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), el Donostia International Physics Center (DIPC), la Universidad Autónoma De Madrid (UAM), la Universitat De Girona, la Universidad del País Vasco, el Instituto de Instrumentación para Imagen Molecular (i3M – UPV), la Universidad de Oviedo y la Universidad de Zaragoza.
Referencias:
Neutral Bremsstrahlung Emission in Xenon Unveiled, C. A. O. Henriques et al. (NEXT Collaboration). Phys. Rev. X 12, 021005. DOI: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.021005
Web del experimento NEXT: https://next.ific.uv.es/next/
Imagen 1. Detector NEXT-White TPC, segunda fase del detector NEXT, en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc LSC). Crédito: Javier Larrea
