El positronio es un átomo leptónico puro en el que el electrón y el positrón están ligados por fuerzas electromagnéticas. Sus canales de aniquilación habituales están predichos con precisión: el parapositronio se desintegra en dos fotones y el ortopositronio en tres. Si en la desintegración aparece una partícula invisible (por ejemplo, un fotón oscuro o un estado similar a un axión), parte de la energía se escapa sin ser detectada y el suceso se manifiesta como energía «perdida». Búsquedas anteriores, incluido el experimento de ETH Zurich con un calorímetro 4π de BGO, alcanzaron un límite del orden de 4,3×10⁻⁷ en la probabilidad de desintegración invisible. El trabajo de KAPAE II se suma a los intentos de mejorar ese límite en un orden de magnitud, pero se distingue por su enfoque: el detector está diseñado específicamente para buscar energía perdida, no para estudiar desintegraciones visibles, y funciona en profundidad bajo tierra a temperaturas criogénicas.
El detector KAPAE II se construye en torno a un conjunto de 25 cristales BGO (óxido de bismuto y germanio) de 30×30×150 mm, que rodean una región central con una fuente de sodio-22 y un disparador de película de PEN de 375 µm de grosor. La película registra el positrón y los cristales BGO detectan los rayos gamma de 511 y 1275 keV. Para optimizar la geometría y el grosor del disparador se utilizó una simulación con Geant4: se buscó un equilibrio entre la eficiencia de detección del positrón y la mínima distorsión de la radiación gamma. La luz de cada cristal se lee con una matriz de 16 fotomultiplicadores de silicio (SiPM) con preamplificador, y los datos se digitalizan a una frecuencia de 62,5 MHz. El detector está colocado en una cámara criogénica con blindaje de cobre y plomo, y se instaló en el laboratorio subterráneo Yemi a 1000 metros de profundidad, donde el flujo de muones se reduce en más de 330 000 veces.
Tras el enfriamiento a −37,5 °C, la resolución energética del detector mejoró: a 511 keV fue del 11,7% (frente al 14,8% a temperatura ambiente), y a 1275 keV, del 6,5%. Para un cristal individual con superficie difusa, a 662 keV se alcanzó una resolución del 10,8%, claramente mejor que el 15% típico de los cristales del experimento de ETH Zurich. El resultado principal es la supresión de sucesos de fondo: la tasa de coincidencias positrón-gamma en superficie era del orden de 1 Hz con picos de hasta 65 Hz, y bajo tierra cayó por debajo de 3×10⁻⁴ Hz, es decir, más de tres órdenes de magnitud. Tras corregir la fuga óptica de luz entre cristales vecinos, el espectro energético total concuerda bien con la simulación de Geant4, lo que confirma que el detector está listo para buscar desintegraciones invisibles.
Este trabajo se distingue de otros del mismo archivo por llevar a la práctica un ciclo completo: desde la simulación de la geometría hasta el funcionamiento estable bajo tierra a temperatura criogénica. A diferencia de los experimentos con detectores segmentados, KAPAE II utiliza un calorímetro compacto con un número reducido de canales, lo que disminuye la probabilidad de sucesos falsos con energía «perdida». La instalación no se limita a comprobar predicciones teóricas, sino que crea una herramienta capaz de mejorar en un orden de magnitud el límite existente sobre la probabilidad de desintegración invisible del positronio. Esto amplía la ventana de búsqueda de partículas ligeras del sector oscuro que no se ven en otros experimentos.
Sobre la base de la sensibilidad alcanzada, se planea realizar una toma de datos y establecer un nuevo límite sobre la probabilidad de desintegración invisible del positronio del orden de 10⁻⁸. Una mejora adicional podría venir de aumentar el tiempo de toma, optimizar la selección de sucesos y modelar con mayor precisión los fondos. También es posible ampliar la búsqueda a desintegraciones parcialmente invisibles, en las que se registra un fotón con energía anómala. A largo plazo, la metodología podría trasladarse a otros estados exóticos ligeros predichos por modelos de sector oculto.
El detector KAPAE II influirá en la física de partículas elementales, en especial en la búsqueda de partículas ligeras del sector oscuro, como los fotones oscuros y las partículas similares a axiones. Sus resultados serán útiles para afinar modelos que van más allá del Modelo Estándar y para planificar futuros experimentos con positronio.
El siguiente paso inmediato es una larga toma de datos en el laboratorio subterráneo y el análisis de sucesos con energía perdida. Después vendrá la comparación con las simulaciones y el establecimiento de un nuevo límite sobre la probabilidad de desintegración invisible.
La búsqueda de desintegraciones invisibles del positronio está directamente relacionada con uno de los principales problemas no resueltos de la física de partículas: la naturaleza de la materia oscura. Si la materia oscura está formada por partículas ligeras que interactúan débilmente con la materia ordinaria, podrían manifestarse precisamente en este tipo de desintegraciones raras. Mejorar el límite en un orden de magnitud permitirá o bien detectar una señal, o bien restringir de forma sustancial la clase de modelos de sector oculto.
El positronio es el más ligero de los átomos conocidos: su masa es 2000 veces menor que la del átomo de hidrógeno. La vida media del ortopositronio en el vacío es de unos 142 nanosegundos, pero en el detector se aniquila más rápido debido a su interacción con la materia.
La idea de partículas invisibles que se llevan energía resuena con la «materia oscura» de la ciencia ficción, por ejemplo en la novela El problema de los tres cuerpos, de Liu Cixin, donde una sustancia invisible influye en los procesos físicos. Sin embargo, en el experimento real se trata de una búsqueda rigurosa de candidatos concretos, no de sustancias fantásticas.