Cientos de físicos han dedicado años a analizar minuciosamente los datos de un detector ubicado en las profundidades de la tierra, buscando el más mínimo indicio de una parte oscura e inaccesible del universo. Llevan a cabo el Experimento de Materia Oscura LZ, en busca de la sustancia invisible cuya gravedad impulsa el movimiento de galaxias y estrellas.
Puede que por fin hayan encontrado algo.
El martes, los investigadores compartieron un nuevo y fascinante resultado en un artículo que describe un pequeño y sutil desplazamiento de una partícula hacia otra. Esto provocó que el detector LZ, ubicado en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur, registrara una curiosa señal.
Los físicos se cuidan de no afirmar que hayan detectado materia oscura. Pero sí dicen que el evento no se ajusta a la descripción de ninguna otra interacción de partículas conocida en el mundo subatómico.
"En este momento, nos interesa recibir comentarios de la comunidad científica en general”, dijo Richard Gaitskell, portavoz de la colaboración LZ. "Después de tanto trabajo interno, nos sentimos preparados para compartir los resultados con el resto del mundo".
Los hallazgos se anunciaron inicialmente en una conferencia de astrofísica de partículas en Japón. Horas después, la colaboración LZ publicó en su sitio web un artículo que detalla los resultados. El artículo se enviará a la revista Physical Review Letters para su revisión por pares.
"Estoy muy, muy emocionada", dijo Katherine Freese, física teórica de la Universidad de Texas en Austin, quien no participó en el trabajo. Añadió que las técnicas que el equipo de LZ utilizó para analizar sus datos fueron "fenomenales".
La materia oscura ha eludido la detección directa durante décadas porque no emite, absorbe ni refleja luz. Es tan omnipresente como inaccesible, constituyendo el 85% de la materia de nuestro universo, un desafío para los físicos de partículas interesados en descifrar su naturaleza.
Los teóricos han ideado docenas de conceptos sobre qué tipo de partícula podría ser la materia oscura y cómo podría interactuar con la materia ordinaria. Entre los candidatos más populares se encuentra la partícula masiva de interacción débil —conocida jocosamente como WIMP—, que es relativamente pesada en escalas subatómicas y que interactúa con el universo visible principalmente a través de la gravedad.
Según las teorías, en raras ocasiones las WIMP también pueden chocar con núcleos atómicos, una colisión que crea una pequeña pero detectable cantidad de energía.
Los físicos experimentales han dedicado décadas a buscar dicha señal en detectores de partículas cada vez más grandes, con la esperanza de detectar una WIMP en acción. A pesar de las técnicas cada vez más sofisticadas, sus búsquedas no han dado resultado.
Hasta ahora, quizás. El detector LZ es un tanque lleno con más de siete toneladas de xenón líquido. Las partículas que entran en el tanque e interactúan con los átomos de xenón crean destellos de luz característicos, así como un flujo de electrones. Estas señales se pueden usar para obtener información sobre la partícula incidente, incluyendo su masa y posición dentro del detector.
Los físicos del experimento LZ se esfuerzan al máximo para maximizar sus posibilidades de detectar una WIMP, para evitar que la señal quede eclipsada por la plétora de otras interacciones que aparecen en el detector, causadas por partículas ya conocidas por los físicos.
"Una aguja en un pajar": el arduo trabajo de los científicos para detectar las interacciones de partículas
“Es como buscar una aguja en un pajar”, dijo Alvine Kamaha, físico del Laboratorio de Zoología de la UCLA, quien ayudó a supervisar la construcción del detector.
El experimento se encuentra a 1,6 kilómetros bajo tierra porque la roca madre lo protege de la lluvia de radiación proveniente del espacio, que de otro modo produciría miles de interacciones de partículas en el detector LZ cada segundo. El detector está rodeado de agua para bloquear los neutrones, que pueden generar señales similares a las producidas por la materia oscura. Además, el xenón se purifica para evitar cualquier contaminante radiactivo que pudiera causar eventos de partículas no deseados.
Los físicos esperaban que el resultado fuera un detector lo suficientemente silencioso como para detectar una WIMP.
Durante meses, el experimento LZ registró docenas de interacciones de partículas cada día. Los investigadores analizaron 220 días de esos datos y descartaron todo aquello que no coincidiera con el perfil teórico más simple de una interacción WIMP. Al principio, no encontraron nada. Pero luego ampliaron su búsqueda para considerar partículas WIMP hipotéticas de teorías más complejas.
Lo único que quedó fue un único suceso: una partícula que se deslizó en el detector el 16 de junio de 2023 y chocó contra el núcleo de un átomo de xenón, expuesto por un destello de luz y un flujo de carga.
La probabilidad de que la detección sea una casualidad es de aproximadamente 1 entre 400, o un nivel de confianza de alrededor de 3 sigma, en las unidades de incertidumbre preferidas por los físicos de partículas. (Un nivel de confianza de 5 sigma es el estándar de oro para afirmar un descubrimiento).
El hecho de que se trate de un suceso aislado resulta intrigante, dijo Gaitskell, pero es posible que sea materia ordinaria interactuando de una manera que los científicos aún no comprenden del todo.
Solo el tiempo —y más datos— lo dirán. Desde entonces, el detector ha registrado casi cuatro veces más eventos que los utilizados en el último estudio, por lo que el equipo de LZ tiene muchas más partículas que analizar. Otros dos experimentos, en Italia y China, también buscan materia oscura utilizando detectores de xenón líquido.
Gaitskell reconoció que no disponía de suficiente información para saber si esos experimentos podrían esclarecer la misteriosa partícula de LZ. «Pero esa sería mi esperanza», dijo. «Así es como se supone que debe desarrollarse la ciencia».
Mientras tanto, la búsqueda continúa.
Por Katrina Miller del New York Times
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