Físicos encuentran algo extraño (y fascinante) mientras buscaban materia oscura

Instalaciones del experimento XENON1T localizadas bajo el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, Italia. (Crédito imagen: Roberto Corrieri y Patrick De Perio).

En plenos Apeninos italianos, concretamente en la sierra de los montes Abruzos, existe un macizo llamado Gran Sasso que no solo alberga un parque nacional de belleza singular, sino que también acoge la sede del Laboratorio Nacional del Gran Sasso (LNGS), lugar de notable importancia científica estos días.

Dependiente del Instituto Nacional de Física Nuclear italiano (INFN), el laboratorio Gran Sasso es en realidad el centro de estudios avanzados de este instututo y si digo que estos últimos días goza de popularidad mediática es por cierto experimento llevado a cabo bajo sus instalaciones (a dos kilómetros de profundidad para ser exactos) que en su día requirió de la fabricación de un detector, cuyo elemento central consistía en un tanque de 3.500 litros de xenón ultra puro líquido.

En efecto, el detector XENON1T, que es extremadamente sensible, fue diseñado principalmente con un motivo: encontrar la esquiva “materia oscura”. Para ello, durante dos años (de 2016 a 2018) el detector fue recopilando datos sobre las colisiones que se daban contra los átomos de xenón. Cuando una de las esquivas partículas que se pretendían “cazar” interactuaba con el núcleo o los electrones de un átomo de xenón, se liberaban diminutos destellos de luz que los sensores de la pared del experimento lograban detectar.

Las partículas que se pretendían detectar de este modo eran “especiales”, en el sentido de que interactuaban con la materia muy rara vez. Pensad por ejemplo en los neutrinos, esos mensajeros cósmicos que atraviesan nuestros cuerpos (y la Tierra) sin que los percibamos, de los que os hablé recientemente a raíz del experimento ANITA.

En cuanto a la misteriosa materia oscura, se la considera uno de los grandes enigmas de la ciencia. Nadie la ha visto jamás ya que se cree que por su naturaleza, ni emite, ni interactúa con, ningún tipo de radiación electromagnética. Si se teoriza sobre su existencia es porque esta explica los efectos que los astrofísicos observan en las velocidades orbitales de las galaxias.

Se cree que la liberación de energía que siguió al Big Bang, dio lugar tanto a la materia ordinaria (o bariónica) de la que se componen las estrellas y galaxias que contemplamos con nuestros telescopios, como a otro tipo de materia invisible que actúa como un “pegamento” manteniendo unidas a las galaxias. Curiosamente, la materia ordinaria solo comprende el 4% de la densidad total del universo, mientras que la materia oscura podría ser entre seis y siete veces más numerosa.

Vayamos al grano, cuando los científicos que controlaban el experimento XENON1T comenzaron a analizar los datos obtenidos tras dos años de observaciones, se dieron cuenta de que habían detectado más interacciones de las que el Sistema Estándar de física de partículas predecía. En concreto, esperaban haber detectado 232 interacciones de baja energía con los electrones del xenón, pero el resultado obtenido fue de 285. (Tal y como se publicó hace dos días en la web del experimento).

¿De dónde venían esos 53 eventos inesperados? Tras analizar todos los datos, los investigadores del equipo internacional responsable del experimento llegaron a tres posibles explicaciones:

1)      Tal vez acabaran de detectar por primera vez una partícula teórica, emitida por el sol, a la que dan en llamar axión.

2)      Quizás una de las propiedades de los neutrinos, llamada momento magnético, tenía un valor más alto del previamente predicho.

3)      Podría ser simplemente que en el detector se coló un elemento radioactivo muy común: el tritio (el isótopo radioactivo del hidrógeno).

Comenzando por la última, decir que la descomposición espontánea de unos pocos átomos de tritio diseminados entre dos toneladas de xenón ultra puro, podrían producir señales como las observadas. En cuanto a la segunda explicación, de ser cierta nos veríamos obligados a revisar el Modelo Estándar, abriendo la puerta a una nueva física más allá del modelo establecido. Por ello, la opción que más visos tiene de ser cierta (si bien con un grado de incertidumbre muy elevado) y la preferida por los investigadores por ser también la más excitante, es la primera.  

Teóricamente, los axiones son partículas de baja masa que podrían explicar un misterio de la física llamado problema CP fuerte, que se pregunta por qué las partículas subatómicas llamadas quarks, siguen las mismas leyes de la física al ser remplazadas por su imagen especular con carga opuesta, cuando no hay razón para que tal cosa ocurra. De existir los axiones, esto implicaría que el sol debería producirlos en su núcleo, y que probablemente podríamos detectarlos desde la Tierra. Además, se han propuesto a los axiones como posibles culpables (al menos parcialmente) de la existencia de la materia oscura.  

¿Comprendéis ahora el revuelo que se ha montado a raíz de los resultados del experimento XENON1T? De confirmarse, nos encontraríamos ante una partícula totalmente nueva, cuyas propiedades implicarían, entre otras cosas, que el sol está más caliente de lo que los astrónomos predicen, y que además produce muchos más neutrinos que los que estos pueden observar.

Esto es lo grande de la ciencia. A menudo tratando de dar respuesta a un interrogante nos encontramos con resultados inesperados que hacen justo lo contrario, abrir muchos más interrogantes, a cada cual más interesante.

¿Qué pasará ahora? Por lo que puedo leer, existen equipos de físicos en China y Estados Unidos que están tratando de montar experimentos similares a XENON1T. Además, los propios italianos van a actualizar su detector (añadiéndole más gas licuado y ganando en sensibilidad) que pasará a llamarse XENONnT. Tras ello, volverán a realizar el experimento para ver si el exceso de interacciones sigue ahí. Al mismo tiempo, si efectivamente los axiones existen, los helioscopios solares de última generación deberían ser capaces de detectarlos.

Puede que dentro de unos años recordemos los resultados recientemente publicados como “aquel bluf que se produjo por unos átomos de tritio que contaminaron el detector”, pero también puede que nos encontremos frente a nuevas fronteras de la física, las cuales nos acercarán un poco más a la comprensión de la naturaleza de la materia oscura.

El tiempo nos dará la respuesta. Como dicen los italianos “che sarà, sarà”.

Me enteré leyendo un artículo de Ryan F. Mandelbaum para Gizmodo.

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