Es un único dato, pero suficiente para hacer temblar a los físicos. En algún momento de 2023 o 2024, un detector que contenía 10 toneladas de xenón líquido ultra-puro registró un destello energético inusual. Era el tipo de señal que podría ser causada por una colisión entre el núcleo de un átomo y una partícula masiva de materia oscura mientras atraviesa nuestra Galaxia.
Si el hallazgo puede ser respaldado con más datos, podría significar que la materia oscura —la sustancia invisible que se cree que evita que las galaxias se desintegren— ha sido finalmente descubierta. Y demostraría que la materia oscura está compuesta por partículas mucho más masivas que los protones, a saber, las ‘partículas masivas de interacción débil’ (WIMPs) que han sido teorizadas pero que han permanecido indetectadas a pesar de décadas de búsqueda.
Los investigadores que trabajan con el experimento LUX-ZEPLIN (LZ) en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford en Lead, Dakota del Sur, anunciaron el resultado el 1 de septiembre en la conferencia de Astrofísica de Partículas TeV en Tendo, Japón, y lo describen en un preprint publicado en el sitio web del experimento.
Experimentos anteriores han visto señales esperanzadoras de materia oscura que resultaron ser espurias, advierten los investigadores. Pero el único evento atípico de LZ «es intrigante y sin duda emocionará al campo», dice Jianglai Liu, un físico de la Universidad de Jiao Tong de Shanghái en China.
Un evento de alta energía
Durante décadas, los teóricos han postulado que el componente principal de la materia oscura es un WIMP. Pero los intentos de detectar la materia oscura mientras atraviesa la Tierra, o de crearla al chocar átomos en instalaciones como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cerca de Ginebra, Suiza, han resultado infructuosos. Muchos investigadores han dirigido su atención a otros posibles candidatos, como partículas muy ligeras.
LZ, que comenzó a funcionar a finales de 2021, es una versión ampliada de experimentos anteriores que buscaban la ‘detección directa’ de la materia oscura utilizando xenón. En el estudio, Samuel Eriksen, el investigador de LZ que presentó el resultado en la conferencia Tendo, y sus colaboradores analizaron 220 días de datos de observación tomados desde marzo de 2023 hasta abril de 2024.
Se centraron en destellos raros que ocurren cuando una partícula de alta energía colisiona con un núcleo de xenón, haciéndolo retroceder a alta velocidad. «Típicamente, estas búsquedas se centran en energías bajas, es decir, menos de 50 kiloelectronvoltios de energía depositada» en el núcleo de xenón, dice Eriksen, un físico de partículas de la Universidad de Bristol, Reino Unido. «En este análisis, lo extendimos hasta 270 keV.»
Tanto LZ como dos series de experimentos competidores — XENON en los Laboratorios Nacionales de Gran Sasso en Italia y PandaX en el Laboratorio Subterráneo de Jinping en China, en Sichuan — habían realizado búsquedas en este rango de energía antes, dice Eriksen. Pero solo pudieron hacerlo con conjuntos de datos más pequeños de versiones anteriores y más pequeñas de sus detectores, y no encontraron nada más allá del fondo esperado de eventos espurios, como neutrones de alta energía producidos por la radiación de fondo.
Para evitar sus propios sesgos, la colaboración LZ ‘salpica’ sus datos durante cada análisis con numerosos eventos producidos aleatoriamente que imitan cómo serían los eventos de materia oscura, dice Richard Gaitskell, físico de la Universidad de Brown en Providence, Rhode Island, y portavoz de LZ. Solo cuando los investigadores terminan con un lote de datos, lo «desalado» para ver si alguna señal de materia oscura que quede es genuina.
«Después de desalar, quedó un solo evento,» dice Gaitskell. «Obviamente, eso fue muy emocionante.»
El evento de «exceso» fue un retroceso que depositó 248 keV de energía en el detector. Los investigadores de LZ estiman que una partícula de materia oscura que produzca este retroceso tendría que pesar el equivalente a al menos 200 gigaelectronvoltios (GeV), y probablemente alrededor de 1,000 GeV (1 GeV corresponde aproximadamente a la masa de un protón).
«Lo que observamos es solo un evento de alta energía,» dice Eriksen. «No estamos afirmando que esto sea materia oscura en absoluto.»
Repite esto
«Una cosa es segura: el evento es muy llamativo,» dice Caterina Doglioni, una física experimental de partículas en la Universidad de Manchester, Reino Unido, que trabaja en el experimento ATLAS del LHC en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra, Suiza.
Debido a que la búsqueda se centró en una región menos explorada de las posibles energías de retroceso, descartar el fondo «requiere una precaución extrema», dice Liu, quien es el portavoz de PandaX. «Las explicaciones mundanas deben ser investigadas a fondo.»
Juan Collar, físico de la Universidad de Chicago en Illinois que dirigió experimentos anteriores de detección directa de materia oscura, dice que la colaboración LZ ha hecho un buen trabajo al descartar los antecedentes radiactivos. Pero añade que ambas explicaciones, la radiactividad y los WIMP, comparten una desventaja: además de los retrocesos de alta energía, deberían producir un exceso de retrocesos de baja energía, que LZ no ha visto.
Aún así, dice Eriksen, el equipo decidió hacer público el hallazgo después de concluir que el resultado no podía explicarse con la física conocida. «Eso vale la pena contárselo a la gente.» Collar está de acuerdo. «Sería ridículo ver un punto como este y no hacer la debida diligencia de informarlo,» dice.
Tanto ATLAS como un experimento del LHC llamado CMS han estado buscando partículas con propiedades similares a las WIMP, y han descartado muchos de los principales modelos teóricos para tales partículas. Pero no han descartado por completo su existencia, dice Doglioni.
Si la señal es genuina, más datos ya recopilados por LZ, así como por las colaboraciones PandaX y XENON, deberían poder confirmarlo. «Puedo decir con confianza que se espera que XENONnT tenga una sensibilidad similar a la de LZ» para un rango similar de energías de retroceso, dice Elena Aprile, portavoz del experimento XENONnT. «Si esto es real, va a suceder muy rápido,» dice Collar.
«Con suerte, finalmente entenderemos qué es realmente la materia oscura,» dice Simona Murgia, astrofísica de la Universidad de California, Irvine.
Davide Castelvecchi