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Un experimento sobre materia oscura podría haber descubierto una nueva partícula que desafiaría las leyes de la física

Expertos construyen la matriz superior de tubos fotomultiplicadores, que detectan destellos de luz a partir de interacciones de partículas.
Expertos construyen la matriz superior de tubos fotomultiplicadores, que detectan destellos de luz a partir de interacciones de partículas. The XENON Experiment
  • Un experimento de materia oscura en un laboratorio subterráneo italiano podría haber descubierto una nueva partícula llamada axión solar.
  • Si eso es lo que se detectó, sería la primera evidencia directa de una partícula que no debería existir, de acuerdo con las leyes conocidas de la física.
  • Además, los datos también podrían revelar nuevas y sorprendentes cualidades de unas partículas misteriosas llamadas neutrinos.
  • Experimentos más grandes y sensibles durante el próximo año ayudarán a los científicos a determinar si realmente han descubierto una nueva partícula.
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En un tanque subterráneo de xenón líquido en Italia se ha detectado una posible nueva partícula, nacida en el corazón del sol.

Si se confirmase, podría anular las firmes leyes de la física que se han mantenido durante aproximadamente 50 años.

Los investigadores crearon el tanque subterráneo para buscar materia oscura, el material esquivo que constituye el 85% de toda la materia en el universo. Los científicos saben que la materia oscura existe porque pueden medir la forma en que su gravedad afecta a las galaxias lejanas, pero nunca antes la habían detectado directamente.

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Es por eso que un grupo internacional de investigadores construyó este experimento en el Laboratorio Nacional Gran Sasso de Italia. El tanque estaba lleno de 3,2 toneladas métricas de xenón líquido, donde sus átomos interactuaban con pequeñas partículas al chocar con ellas. Cada interacción o "evento" produce un destello de luz y arroja electrones.

En teoría, este experimento es lo suficientemente sensible como para detectar interacciones con partículas de materia oscura.

El experimento XENON bajo tierra. Izquierda: el tanque de agua con un póster que muestra lo que hay dentro. Derecha: el edificio de servicio de tres pisos.
El experimento XENON bajo tierra. Izquierda: el tanque de agua con un póster que muestra lo que hay dentro. Derecha: el edificio de servicio de tres pisos. The Xenon Experiment

En la última versión del experimento, los investigadores esperaban que la máquina detectara 232 eventos en un año, basándose en partículas conocidas. Pero en cambio, detectó 285 eventos, 53 más de lo previsto.

Además, la cantidad de energía liberada en esos eventos adicionales correspondía con la energía predicha de una partícula aún no descubierta llamada axión solar: un tipo de partícula que los físicos habían planteado como hipótesis, pero que nunca llegaron a observar.

"La partícula hipotética que podría explicar los datos de XENON es demasiado pesada para ser materia oscura, pero podría ser creada por el sol", ha explicado Sean Carroll, físico del Instituto de Tecnología de California que no está afiliado a XENON, a Business Insider. "Si eso fuera cierto, sería muy importante, podría ser un hallazgo ganador del Premio Nobel".

Sin embargo, también es posible que las interacciones fueran anomalías, que aparecen todo el tiempo en experimentos de física altamente sensibles como XENON.

Una nueva partícula forjada en el corazón del sol

Una gran prominencia brota del sol, el 14 de septiembre de 1999.
Una gran prominencia brota del sol, el 14 de septiembre de 1999. ESA/NASA/SOHO ESA/NASA/SOHO

Los físicos de partículas estudian los componentes más pequeños y fundamentales del universo: partículas elementales como quarks y gluones, junto con fuerzas como la gravedad y el electromagnetismo.

"La física de partículas es una parte importante de la física moderna, pero también ha estado estancada durante mucho tiempo. El último descubrimiento realmente sorprendente en física de partículas fue en la década de 1970", ha comentado Carroll.

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Fue entonces cuando se estableció lo que se conoce como el Modelo Estándar: un conjunto de todas las reglas conocidas por la física, que describen todas las partículas que los científicos han detectado y cómo interactúan entre sí.

"Con él, podemos explicar esencialmente todo lo que vemos en un laboratorio de física de partículas", apunta Aaron Manalaysay, físico de materia oscura del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley que no está afiliado a XENON, a Business Insider . "Es probablemente el modelo científico más preciso de la historia. Pero también tenemos buenas razones para pensar que no es el modelo de naturaleza más fundamental que existe".

Ingenieros ensamblan la jaula de campo eléctrico del experimento XENON.
Ingenieros ensamblan la jaula de campo eléctrico del experimento XENON. The XENON Experiment

Los físicos tienen indicios de que el modelo no captura completamente la forma en que se comporta nuestro universo. Sus observaciones indirectas de la materia oscura se encuentran entre esos indicios, pero todavía tienen que detectar directamente una partícula más allá del Modelo Estándar.

De ahí la problemática de que XENON hubiese encontrado un axión solar.

"Ese sería el primer descubrimiento concreto de algo más allá del Modelo Estándar", añade Manalaysay. "Esto sería una especie de Santo Grial en este momento de la física de partículas".

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Carroll estuvo de acuerdo, pero ha agregado que la naturaleza sin precedentes del descubrimiento potencial "es una de las razones por las que creemos que probablemente no esté allí".

En otras palabras, sin evidencias suficientes, nadie está haciendo una celebración de ello todavía.

Por ahora, otras teorías también podrían explicar los eventos adicionales que han encontrado los investigadores de XENON.

El mal comportamiento de los neutrinos podría apuntar a una 'nueva física'

La gama superior de tubos fotomultiplicadores en el experimento XENON, con los cables eléctricos.
La gama superior de tubos fotomultiplicadores en el experimento XENON, con los cables eléctricos. The XENON Experiment

Otra posible explicación para los 53 eventos adicionales de XENON es que los neutrinos, una partícula subatómica sin carga eléctrica, podrían haber impulsado las interacciones.

Sin embargo, eso también desafiaría las leyes conocidas de la física, ya que significaría que los neutrinos tienen un campo magnético mucho más grande de lo que predice el Modelo Estándar.

"Eso podría apuntar potencialmente a una nueva física más allá del Modelo Estándar", cuenta el físico en materia oscura.

Un criostato cuelga de la estructura de soporte dentro del tanque de agua del experimento XENON.
Un criostato cuelga de la estructura de soporte dentro del tanque de agua del experimento XENON. The XENON Experiment

 

No sería la primera vez que los neutrinos rompen las reglas. Según el Modelo Estándar, los neutrinos no deberían tener masa, pero sí la tienen. El descubrimiento de que tienen un campo magnético considerable sería otra pista de que algo falta en el modelo.

Manalaysay: "Los neutrinos son bestias realmente extrañas y realmente no los entendemos".

Se avecinan experimentos más grandes y sensibles de materia oscura

La sala del sistema de adquisición de datos XENON1T en el laboratorio Gran Sasso en Italia.
La sala del sistema de adquisición de datos XENON1T en el laboratorio Gran Sasso en Italia. The XENON Experiment The XENON Experiment

También es posible que los eventos adicionales de XENON no ocurran en absoluto, aunque eso es poco probable. Los investigadores calcularon una probabilidad de 2 en 10,000 de que los eventos detectados se debieran a fluctuaciones aleatorias.

Sin embargo, las señales podrían provenir de otras interacciones de partículas mundanas, lo que hace que su explicación sea mucho menos interesante que los axiones o los neutrinos. Los eventos adicionales podrían provenir de pequeñas cantidades de tridium, un isótopo radiactivo de hidrógeno, que se descompone dentro del tanque. Los isótopos de argón producirían un efecto similar, según el físico Manalaysay.

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"No tomaría mucho. Solo unos pocos átomos", explica, y agrega que una serie de cosas desconocidas para los investigadores también podrían ser responsables del exceso de interacciones.

"Hemos recorrido este camino antes, donde hay una pequeña anomalía que no esperas y luego desaparece. Así que este es claramente un lugar donde necesitas hacer un experimento mejor, y estamos planeando hacer exactamente eso ", cuenta Carroll.

La cámara de proyección de tiempo XENON1T después del montaje.
La cámara de proyección de tiempo XENON1T después del montaje. The Xenon Experiment

Una nueva generación de experimentos, tipo XENON, en proceso en Estados Unidos y Europa, debería ayudar a los investigadores a estudiar estos eventos adicionales y determinar qué partículas los están causando. Los nuevos experimentos serán más grandes y significativamente más sensibles.

"Si esto es real, lo veremos absolutamente en nuestra próxima generación de experimentos", explica Manalaysay, que ha trabajado en el llamado Gran Experimento de Materia Oscura de Xenón Subterráneo (LUX). "Es como si estuvieras entrando en una habitación más y más silenciosa. Empiezas a escuchar cosas nuevas que no podrías escuchar en una habitación más ruidosa".

Mientras que XENON recogió 53 eventos inexplicables, el sucesor de LUX, llamado LUX-ZEPLIN, podría detectar 800, según el físico de partículas. "A pesar de los retrasos causados por el coronavirus", agrega, "es probable que se realicen nuevos experimentos y arrojen resultados dentro del próximo año".

"Es como un adelanto", apunta. "El final de esta temporada termina en un acantilado y hay que esperar hasta la próxima".

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