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22 de Junio de 2020
Física

Un experimento que busca la materia oscura encuentra una señal inexplicada

Los investigadores dicen que hay tres explicaciones posibles de los datos anómalos. Una es prosaica. Las otras dos serían una revolución en la física.

La pieza fundamental de XENON1T, que se diseñó para detectar raras interacciones de partículas hipotéticas [Colaboración XENON].

Los físicos que se encargan de la busca más sensible del mundo de la materia oscura por medio de experimentos han visto algo extraño. Han descubierto un exceso inesperado de sucesos dentro de su detector que podría concordar con el perfil de una partícula hipotética que quizá sea la constituyente de la materia oscura: el axión. Pero los datos también podrían ser explicados por una nueva propiedad de los neutrinos.

Más prosaicamente, la señal podría deberse a una contaminación dentro del experimento.

«Ese exceso apasiona, pero hemos de tener mucha paciencia», dice Luca Grandi, físico de la Universidad de Chicago, uno de los responsables del experimento, que se llama XENON1T y en el que participan 163 personas. El sucesor de este experimento tendrá que descartar la posible contaminación por átomos de tritio, dice Grandi. Se espera que empiece este mismo año.

Los expertos ajenos al experimento dicen que cuando hay una explicación aburrida, suele ser la correcta. Pero no siempre, y la mera posibilidad de que XENON1T haya hecho un descubrimiento merece que se preste atención.

«Si resulta que es una nueva partícula, será el avance que llevamos esperando durante los últimos cuarenta años», dice Adam Falkowski, físico de partículas de la Universidad de París-Saclay, que no participó en el experimento. «No es posible no quedarse corto con la importancia del descubrimiento, si es cierto».

Los físicos de partículas llevan todo ese tiempo persiguiendo un inventario más completo de la naturaleza, más allá del conjunto de partículas y fuerzas que forman el que se conoce como modelo estándar de la física de partículas. Y durante veinte años, experimentos como XENON1T han perseguido en concreto las desconocidas partículas de la materia oscura, la sustancia invisible que aporta su peso gravitatorio por todo el universo.

Si la señal de XENON1T se debe a los axiones, que están entre los principales candidatos a componente de la materia oscura, o a neutrinos no estándar, «qué duda cabe de que sería muy emocionante», dice Kathryn Zurek, física teórica del Instituto de Tecnología de California. Pero por ahora «la explicación prosaica, el tritio, es, en mi opinión, la más probable».

El resultado descrito en el artículo es un cúmulo de los sucesos del tipo llamado «retroceso electrónico» ocurridos dentro del detector de XENON1T. El detector es un tanque recubierto de sensores que contiene 3,2 toneladas de xenón puro; se encuentra a más de mil metros de profundidad dentro del Gran Sasso, una montaña de los Apeninos, en Italia. Como el xenón es un elemento químicamente inerte, «noble», crea así un estanque tranquilo y contemplativo en el que se pueden buscar las huellas de partículas desconocidas, si es que alguna de ellas lo atraviesa.

La serie de experimentos XENON se concibió originalmente para buscar unas hipotéticas partículas de materia oscura llamadas partículas masivas que interaccionan débilmente, o WIMP. Ocasionalmente, alguna WIMP que atravesase el detector chocaría con un núcleo de xenón y  generaría así un destello luminoso.

Pero tras catorce años de búsqueda con detectores cada vez mayores y más sensibles, no se habían visto esos retrocesos nucleares. Experimentos competidores buscaron retrocesos nucleares en tanques llenos de otros elementos nobles y sustancias, pero tampoco los vieron. «Ha sido toda una historia; estamos todos muy desesperados», dice Elena Aprile, física de partículas de la Universidad de Columbia que ideó el método de detección por medio del xenón y dirige los experimentos XENON desde entonces.

Mientras la búsqueda de WIMP seguía con las manos vacías, los científicos del XENON cayeron en la cuenta, hace unos años, de que podían usar su experimento para buscar otros tipos de partículas desconocidas que pasasen por el detector: partículas que chocasen contra un electrón del xenón en vez de con su núcleo.

Antes trataban esos «retrocesos electrónicos» como ruido de fondo y es que, en efecto, muchos de ellos están causados por fuentes prosaicas, como el plomo radiactivo y los isótopos del kriptón. Pero tras mejoras que redujeron radicalmente a lo largo de los años las contaminaciones de fondo, vieron que estaban en condiciones de buscar señales en ese bajo nivel de ruido.

En su nuevo análisis, examinaron los retrocesos electrónicos en los datos correspondientes al equivalente de un año de funcionamiento de XENON1T. Esperaban ver unos 232 de esos retrocesos, causados por fuentes conocidas de la contaminación de fondo. Pero el experimento captó 285, un exceso de 53 que significa que debe de haber una fuente que no se ha tenido en cuenta.

El equipo guardó celosamente el descubrimiento durante un año más o menos. «Trabajamos y trabajamos, e intentamos entender», dice Aprile «Me dije, ¡pobres estudiantes!». Tras rechazar todas las fuentes posibles de error en que pudieron pensar, se quedaron con tres explicaciones que concordaban con el tamaño y la forma de la joroba en sus gráficas de datos.

La primera, y seguramente la más apasionante, era el «axión solar», una partícula hipotética producida dentro del Sol, parecida al fotón pero con masa, aunque muy poca.

Los axiones que se hubiesen producido recientemente en el Sol no podrían ser la materia oscura que moldea el universo desde los tiempos primordiales. Pero si el experimento ha detectado axiones solares, es que los axiones existen. «Un axión así se podría producir en el universo primitivo y ser al menos un componente de la materia oscura», explica Peter Graham, físico de partículas de la Universidad Stanford que ha teorizado sobre los axiones y las formas de detectarlos.

Los investigadores dicen que la energía de los axiones solares que se infiere de la joroba del XENON1T no casa con los modelos más simples de la materia oscura axiónica, pero es probable, creen, que modelos más complicados se conciliasen con ellos.

Otra posibilidad es que los neutrinos, las más misteriosas de las partículas conocidas de la naturaleza, tuviesen grandes momentos magnéticos, es decir, que fuesen una especie de barra imantada. Si tuvieran esa propiedad podrían dispersarse en los electrones a un ritmo incrementado, lo que explicaría la cantidad excesiva de retrocesos electrónicos. Graham dice que un momento magnético de los neutrinos «sería también muy apasionante, ya que indicaría la existencia de nueva física más allá del modelo estándar».

Pero es posible que en el xenón estén presentes cantidades de traza de tritio, un isótopo raro del hidrógeno, y que su desintegración radiactiva genere retrocesos electrónicos. Esta posibilidad «no se puede ni confirmar ni excluir», escribe el equipo del XENON1T en su artículo.

Investigadores que no forman parte del equipo dicen que hay «banderas de peligro, no rojas, sino naranjas», en palabras de Falkowski, que apuntan hacia la respuesta aburrida. Lo más importante es que si el Sol crea axiones, todas las estrellas lo hacen. Esos axiones se llevarían una pequeña cantidad de energía de la estrella, como el vapor que se lleva energía de la tetera donde hierve el agua. En estrellas muy calientes, como las gigantes rojas y las enanas blancas, donde la producción de axiones debería ser mayor, esa pérdida de energía llegaría a enfriar la estrella. «Una enana blanca produciría tantos axiones que no veríamos todas esas enanas blancas por todas partes», dice Zurek.

Los neutrinos de gran momento magnético tienen también sus pegas: en comparación con los neutrinos estándar, se producirían más abundantemente de forma espontánea dentro de las estrellas y drenarían más energía de ellas, con lo que las calientes se enfriarían más de lo que se observa.

Pero estos argumentos podrían tener fallos, o quizá haya alguna otra partícula que explique la joroba de XENON1T. Por suerte, los físicos no tendrán que esperar mucho para tener respuestas: el sucesor de XENON1T, el experimento XENONnT, que escudriñará retrocesos en 8,3 toneladas de xenón, está en camino de empezar a recoger datos este mismo año. «Si el exceso reaparece y es del mismo nivel», dice Grandi, «esperamos poder discriminar [entre las posibilidades] en unos cuantos meses de toma de datos».

«Una cosa está clara», según Juan Collar, físico de la materia oscura de la Universidad de Chicago que no participó en el experimento: «el programa XENON sigue abriendo trocha en el campo de la materia oscura; el experimento más sensible será el primero que dé con lo inesperado, y XENON mantiene sólidamente esa preciada primera posición».

Natalie Wolchover/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T», de E. Aprile et al., en The Xenon  Experiment y también como arXiv:2006.09721[hep-ex].

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