¿Han encontrado los cazadores de materia oscura una señal de nueva Física?

Por eso hay decenas de experimentos buscando materia oscura. Como no se sabe de qué está hecha, los físicos van buscando todo tipo de candidatos con diferentes masas, interacciones y posibles orígenes cosmológicos. Así es como esta misma semana los investigadores de un importante experimento han informado de unas observaciones que podrían encajar con una nueva Física. Pero lo cierto es que lo más probable es que no hayan encontrado absolutamente nada, según ellos mismos han reconocido.

Tal como informamos ayer en este periódico , científicos de la colaboración XENON, que están conduciendo XENON1T , uno de los experimentos de búsqueda de materia oscura más sensibles, anunciaron el hallazgo de un exceso de eventos inesperado cuyo origen es desconocido . XENON1T es un experimento en el que los científicos tratan de buscar señales del impacto de partículas desconocidas en el interior de un tanque de xenón, por lo que un exceso de estos eventos podría ser buena señal. Aunque también podría ser ruido de fondo.

En un artículo publicado en el servidor de prepublicaciones « arXiv » (todavía no revisado por pares) han propuesto que esta señal podría ser ruido causado por la presencia de tritio , un isótopo radiactivo de hidrógeno. Este puede ser creado en el xenón como resultado del impacto de rayos cósmicos, y tiene la particularidad de que decae de forma espontánea, emitiendo un electrón con una energía parecida a las señales observadas en este caso. No obstante, esta sería la primera vez en la que se habría detectado este tipo de contaminación.

En segundo término, los investigadores de XENON1T también han valorado que estas señales sean algo mucho más interesante: la primera detección de un axión , un tipo de partícula hipotético que está entre los que se suelen barajar para explicar la materia oscura. En este caso, sin embargo, estos supuestos axiones procederían del Sol y no serían partículas de materia oscura. Entonces, ¿son los resultados de XENON1T ruido o algo más relevante?

«El anuncio que ha hecho la colaboración XENON1T es muy interesante», ha explicado a ABC David Cerdeño , investigador de la Universidad de Durham (Reino Unido) no implicado en este estudio pero que trabaja en SuperCDMS, un experimento que hace búsquedas similares a las de XENON1T.

No obstante, conviene contener las expectativas y reconocer la cautela con la que los investigadores de XENON1T han hecho su anuncio. En opinión de Mario Pérez , investigador del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), en Barcelona, «el hecho de que el propio artículo reconozca que sus observaciones pueden ser explicadas por una contaminación de tritio le quita peso. Sin duda son necesarios más experimentos, tal como reconocen los autores».

En este sentido ha coincidido María Luisa Sarsa , catedrática en la Universidad de Zaragoza e investigadora principal de ANAIS, un experimento que busca señales de materia oscura en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, bajo la montaña de El Tobazo, en Huesca. «Este anuncio, en particular ha atraído mucha atención porque presenta un exceso de sucesos que no explica el modelo de fondo del experimento, es decir, el modelo que “predice” lo que se debería observar si no hubiera ningún efecto de Física “nueva”, que habitualmente denominamos “Física más allá del modelo estándar”», ha explicado a través de correo. Este modelo es el que explica gran parte de la realidad con gran eficacia a partir de las interacciones y partículas conocidas.

«En todo caso, la colaboración ha presentado de forma cauta este exceso de sucesos, que siendo razonablemente significativo en términos estadísticos, encaja todavía con múltiples posibles explicaciones ». Una de ellas es la presencia de tritio. Por ello, ha indicado que «es necesario incluirlo en el modelo de fondo del experimento y avanzar en la comprensión de su contribución antes de explorar explicaciones más allá del modelo estándar». Es decir, conviene comenzar por descartar la explicación más sencilla: la contaminación.

XENON1T es el último de una larga familia de experimentos de la colaboración XENON, emplazados en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, en los Apeninos, Italia, en unas instalaciones situadas bajo 1.400 metros de rocas para evitar la radiación del espacio, capaz de saturar los sensores. Además de toda esa protección, los detectores de XENON1T están colocados dentro de un gran tanque de agua.

Dentro de este tanque, los detectores están en un depósito más pequeño que contiene 3,2 toneladas de xenón ultrapuro. Éstos esperan a captar los fotones liberados cuando los axiones, u otras partículas hipotéticas, chocan contra los electrones de los átomos de xenón. Así es como XENON1T estuvo recogiendo datos entre 2016 y 2018.

Dada la gran sensibilidad y el gran número de detectores de estas instalaciones, los investigadores trazan modelos matemáticos para describir lo que los detectores captan cuando no hay ninguna señal interesante. Como los propios materiales de los aparatos, las fuentes de radiación y muchas partículas ya conocidas pueden generar falsos positivos, han de emplear la estadística para comprobar si las lecturas se desvían de lo aleatorio.

En el caso de los resultados presentados ahora, los modelos contaban con detectar 232 eventos «de fondo» en el tiempo considerado. Pero, en lugar de eso, se detectó un exceso de 53. ¿A qué se debe? ¿ Pasó por el detector un «ejército» de desconocidos axiones o fue un «pico» de ruido de fondo?

Según los resultados de los investigadores, ambos fenómenos son compatibles con los datos y no hay suficiente evidencia para decantarse por uno o por otro. Sin embargo, los sucesos detectados alcanzan una significación de 3,5 sigma, lo que indica que la probabilidad de que sean debidos al azar es muy baja (de dos entre 10.000).

En parte la dificultad está en que es muy fácil que el tritio esté detrás de las señales. Según los cálculos de los investigadores de XENON1T, la señal observada podría explicarse si hubiera apenas un puñado de átomos de tritio por cada 10^25 átomos de xenón.

Además, tal como ha destacado Mario Pérez, hay otro motivo para la cautela: « El exceso de sucesos se produce en el umbral de detección , en la "zona" donde el detector empieza a ser sensible. Eso implica que es delicado interpretar los resultados». Tal como ha apuntado, en esa zona límite cambios muy pequeños pueden llevar a no tener ninguna señal o tener una señal muy intensa.

Pero la opción más interesante es que, efectivamente, hayan detectado partículas representantes de una «nueva Física». De hecho, las señales coinciden con lo esperado para axiones procedentes del Sol.

«Los axiones son unas partículas (hipotéticas, en el sentido de que no están incluidas en el modelo estándar) que tienen una masa muy pequeña», ha explicado David Cerdeño. « No tienen carga eléctrica y sus interacciones con la materia ordinaria son extremadamente débiles . Los axiones pueden producirse en el Sol, no en las reacciones nucleares (que dan lugar a neutrinos, por ejemplo), sino en procesos más "exóticos"».

¿Cómo cuáles? «Por ejemplo, los fotones se pueden convertir en axiones como efecto del campo magnético dentro del Sol y, como interaccionan tan débilmente, podrían llegar hasta la Tierra», ha señalado.

Tal como han explicado los investigadores de XENON en una nota de prensa , estos axiones solares no son candidatos a materia oscura, pero su detección sería la primera observación de una nueva clase de partículas capaz de transformar nuestra comprensión de la Física y la Astrofísica. De hecho, los axiones producidos al comienzo del Universo podrían ser una de las fuentes de la materia oscura.

¿Qué resta por hacer? «En términos estadísticos, lo que hay que mirar es si la hipótesis de nueva Física ajusta los datos experimentales mejor que la hipótesis de ruido de fondo», ha concluido Cerdeño. «Ambas hipótesis dan resultados comparables, de modo que no es posible atribuirlo a una u otra. Lo ideal sería comprobar este resultado con otro experimento », ha dicho el investigador. Tal como ha apuntado Mario Pérez, no solo será cuestión de tomar más datos, sino de aumentar la sensibilidad de los instrumentos.

Hasta ahora, otros experimentos, como CAST no han podido dar con estos axiones solares, pero el futuro quizás traiga buenas noticias. El consorcio XENON ya lleva varios años trabajando en ampliar las capacidades de sus experimentos. Con la siguiente fase, XENONnT, multiplicarán por tres la cantidad de xenón y reducirán el ruido de fondo. Otro experimento, de nombre Lux-Zeplin (LZ), alcanzará unas prestaciones similares.

Mientras tanto, en Canfranc, Huesca, los científicos del experimento ANAIS, cuya investigadora principal es María Luisa Sarsa, trabajan en reproducir unos resultados también obtenidos en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, con el experimento DAMA/LIBRA, y que desde hace dos décadas aseguran haber dado con señales de materia oscura .

Los investigadores de ANAIS llevan tomando datos desde agosto de 2017 y lo harán durante dos años más para poder refutar o confirmar lo asegurado por los investigadores del Gran Sasso. «Al igual que sucede con XENON1T, es importante ser paciente en este tipo de experimentos y seguir acumulando datos», ha explicado Sarsa.

El problema de la materia oscura sigue estando por resolver. Las observaciones muestran que es muy probable que ahí fuera haya formas de materia totalmente desconocidas, atravesándonos en este momento sin que podamos notar nada. A diferencia de los grandes descubrimientos de siglos pasados, la materia oscura no será resuelta de la noche a la mañana. Solo el trabajo de grandes equipos y la acumulación de enormes cantidades de datos permitirá ir desgranando poco a poco este misterio.