El detector inferior del experimento Xenon1T
El experimento más sensible en su clase capta indicios del axión, un pariente del fotón que podría explicar de qué está hecho el 27% del universo
Unas señales captadas en uno de los mayores laboratorios subterráneos del mundo podrían ser la primera observación de materia oscura, el misterioso componente que supone el 27% de todo el universo.
La materia oscura es una de las mayores incógnitas de la física. Sin su empuje gravitatorio las galaxias se desmenuzarían y no podrían existir. Aunque en teoría es seis veces más abundante que la materia convencional de la que está hecho el mundo visible, nunca ha sido observada. En conjunto, los humanos solo sabemos de qué está hecho el 5% de todo el universo —materia convencional—. El resto es materia oscura (27%) y energía oscura (68%) totalmente desconocidas.
Los nuevos datos provienen de un enorme tanque con más de tres toneladas de gas xenón construido bajo 1.400 metros de pura roca en el macizo montañoso del Gran Sasso, en Italia. Este aislante es perfecto para amortiguar el bombardeo natural de partículas que recibe la Tierra y que podrían causar interferencias con los átomos de xenón, un gas noble que enfriado a temperaturas de casi 100 grados bajo cero es muy adecuado para detectar fenómenos físicos muy poco frecuentes.
Este experimento llamado Xenon1T es el más preciso en su clase. Sus responsables acaban de anunciar que han captado decenas de señales que podrían ser axiones: una partícula teórica de masa pequeñísima que podría ser el componente básico de la materia oscura. Se piensa que la materia oscura está hecha de partículas que interactúan de forma muy débil con las convencionales. Si una partícula de materia oscura entrase en el tanque y chocase con un átomo de xenón, se emitiría un electrón produciendo un destello de luz y liberando una pequeña cantidad de energía que captarían los detectores del experimento.
Hay fenómenos más mundanos como la radiactividad natural o los rayos cósmicos que pueden producir esta misma señal. Los científicos han calculado cuántos de estos eventos sin interés deberían haberse producido en el tiempo de observación: desde 2016 hasta el año pasado. Los resultados muestran que eran de esperar 232, pero se detectaron 53 más.
Los responsables del experimento creen que esas señales redundantes pueden ser axiones producidos por el Sol. En sí estas partículas solares no serían materia oscura, pero demostrarían por primera vez la existencia de esta partícula.
Justo después del Big Bang, hace 13.700 millones de años, se pudieron producir una gran cantidad de axiones que hoy seguirían presentes, explica Igor García Irastorza, investigador del laboratorio europeo de física de partículas CERN. “En teoría el Big Bang pudo producir suficientes axiones como para componer toda la materia oscura existente. Se trata de partículas muy estables, por lo que hay muy baja probabilidad de que se desintegren y esto permitiría detectarlos aún”, explica. Es curioso que la única partícula conocida más ligera que un axión de posible materia oscura es el fotón, la partícula de la luz, resalta el investigador.
A pesar del interés, “hay que tomar estos resultados con mucha cautela”, advierte García. “Las señales son muy débiles y están muy cercana al límite de detección del experimento, de modo que es imposible saber qué es ruido de fondo y qué es señal”, explica. Por otro lado, el tipo de axiones que se habrían cazado en Italia “violarían varias predicciones teóricas sobre astrofísica que se consideran muy sólidas”, advierte García.
El tanque del experimento Xenon1T a la derecha y el edificio de tres pisos con los instrumentos auxiliares para la detección de señales a la derecha.
Hay una explicación menos exótica para estos mismos resultados: que en el tanque hubiese tan solo unos pocos átomos de tritio, un isótopo del hidrógeno que al decaer produciría los electrones observados. Según el estudio preliminar del equipo de XENON1T la explicación más probable estadísticamente es la de los axiones solares, pero seguida muy de cerca por la del tritio. Hay una tercera posibilidad: que la señal sean neutrinos con propiedades magnéticas no observadas hasta ahora.
El experimento italiano fue diseñado para detectar otro candidato a materia oscura: los WIMPS, o partículas masivas de interacción débil que son millones de veces más pesadas que el axión. A pesar de ser las favoritas a explicar esta parte del universo oscuro, después de años de experimentos ni XENON ni otros experimentos han conseguido detectarlas de forma concluyente.
“El segundo gran favorito para ser materia oscura son los axiones y desde hace 15 años mucha gente se ha volcado en su búsqueda, en parte debido a las decepciones de la búsqueda de WIMPS”, explica Javier Redondo, físico teórico de la Universidad de Zaragoza. La existencia de los axiones se teorizó en los años setenta para explicar otro fenómeno de física de partículas y ya en los ochenta se vio que también podía explicar el problema de la materia oscura. “Es posible que lo que han descubierto sea algún tipo extraño de materia oscura, pero es más probable que se deba a un proceso dentro de su detector [una fuente de ruido] que no habían detectado hasta ahora”, opina.
“Después de un resultado tan interesante arranca una labor de detectives para intentar explicarlo”, resume Juan José Gómez-Cadenas, físico de partículas que lidera el experimento NEXT construido bajo tierra en el Laboratorio Nacional de Canfranc, en Huesca. “Lo primero que va a pasar es que los dos grandes experimentos equiparables a este, LUX en EE UU y PandaX en China, se van a volcar en captar esta señal o demostrar que es falsa. Nosotros en NEXT también podemos buscarla a partir del próximo año”, explica. Un poco más adelante se sumarán instrumentos nuevos como IAXO, del que García Irastorza es portavoz y que es un telescopio axiones que tiene previsto empezar a funcionar en Hamburgo (Alemania) en 2023. “Probablemente gracias a todos estos experimentos seamos capaces de contrastar este resultado y entender qué está pasando”, concluye Gómez-Cadenas.
En esta carrera también va a estar XENON. “El detector se está ampliado para albergar hasta seis toneladas de gas, lo que permitiría detectar muchas más señales si es que siguen ahí”, explica Sonja Orrigo, investigadora del Instituto de Física Corpuscular de Valencia que trabajó en este experimento hace unos seis años. “Los primeros resultados de esta versión mejorada podrían llegar en dos o tres años”, explica.
