La materia oscura es uno de los misterios más persistentes de la física moderna. Se calcula que constituye alrededor del 85% de la masa total del universo, pero nadie la detectó nunca de forma directa. No es visible, pero los científicos saben que existe porque sus efectos gravitacionales son visibles: mantiene unidas a las galaxias y moldea la distribución de la materia en el cosmos. Sin embargo, hasta ahora escapó a todos los intentos de capturarla en un laboratorio.
Entre los candidatos más buscados para explicarla están las llamadas partículas WIMP (Weakly Interacting Massive Particles, es decir, partículas masivas de interacción débil). Se trata de objetos subatómicos que, según varias teorías, tendrían masa y podrían chocar ocasionalmente con núcleos atómicos ordinarios, lo que dejaría una señal detectable.
Un nuevo análisis del experimento LUX-ZEPLIN (LZ), una colaboración internacional de 250 científicos e ingenieros de 39 instituciones, registró un evento inusual que los investigadores no logran explicar con ninguna fuente conocida. El trabajo se presentó el 1 de septiembre en la conferencia TeV Particle Astrophysics en Tendo, Japón, y se publicó como preimpresión con envío a la revista Physical Review Letters.
El estudio de la materia oscura también avanza desde el espacio con el telescopio Nancy Grace Roman de la NASA, que fue lanzado el pasado domingo 30 de agosto, diseñado para observar cómo la gravedad de esa materia invisible deforma la luz de galaxias lejanas y moldea la estructura del universo a gran escala. A diferencia de LZ, que busca detectar un choque directo entre una partícula y un átomo, Roman intentará seguir las huellas cósmicas que la materia oscura deja en la distribución de la materia y en la forma en que se curva la luz.
Un único destello alteró la búsqueda de materia oscura
La materia oscura no emite ni refleja luz, por lo que es imposible observarla directamente. Sin embargo, los físicos creen que si existe en forma de partículas masivas, los WIMPs, estas atraviesan la Tierra de forma constante y, en ocasiones muy raras, chocan contra el núcleo de un átomo ordinario y dejan un brevísimo destello de energía. Detectar ese destello, entre miles de señales falsas, es exactamente lo que buscan experimentos como LZ.
El detector central de LZ contiene 10 toneladas de xenón líquido ultrapuro y opera a casi 1,6 kilómetros de profundidad en el Sanford Underground Research Facility (SURF), en el estado de Dakota del Sur, Estados Unidos. Esa profundidad no es casual: la roca actúa como escudo natural contra los rayos cósmicos, que de otro modo generarían señales falsas.
Cuando una partícula choca con un núcleo de xenón, el átomo retrocede y produce dos señales: un destello de luz y una nube de electrones. Ambas señales (denominadas S1 y S2 en el estudio) son captadas por sensores especiales llamados tubos fotomultiplicadores, dispositivos capaces de detectar incluso los destellos de luz más tenues, ubicados en la parte superior e inferior de la cámara. La relación entre S1 y S2 permite distinguir si el choque fue con un electrón (lo más común, causado por radiación de fondo) o con un núcleo atómico, que es lo que produciría una partícula de materia oscura.
Tras analizar 220 días de datos recolectados entre marzo de 2023 y abril de 2024, el equipo encontró un único evento en la zona del detector donde se esperan los rebotes nucleares. Ese evento depositó 248 kiloelectronvoltios (keV) de energía, una unidad de medida propia de la física de partículas.
Para entender la escala: las búsquedas anteriores se concentraban en energías por debajo de 50 keV, como si antes solo se buscara en el volumen bajo de una radio y ahora se subiera hasta casi el máximo. Esta vez, según el estudio, el rango se extendió hasta los 270 keV, un territorio menos explorado donde ciertos modelos teóricos predicen que la materia oscura dejaría rastros más notorios.
“Estamos muy intrigados de ver este evento en los datos, en la región donde esperamos que aparezca la materia oscura y donde los fondos competidores son muy bajos”, afirmó Rick Gaitskell, profesor de la Universidad de Brown y portavoz del experimento LZ. “Con un solo evento, no queremos adelantarnos. No afirmamos haber visto materia oscura. Pero vimos algo interesante que queremos compartir con la comunidad científica”.
La señal sobrevivió a una larga lista de controles
Antes de dar a conocer el hallazgo, el equipo dedicó meses a descartar que el evento tuviera una explicación ordinaria. En física de partículas, los detectores como el de LZ están rodeados de fuentes de “ruido de fondo”: señales falsas que pueden confundirse con lo que se busca.
Entre las más relevantes se encuentran la desintegración de isótopos radiactivos presentes en el xenón (como el plomo-214 o el kriptón-85), el rebote de neutrones generados por los propios materiales del detector, y la dispersión de neutrinos atmosféricos. También se evaluó un tipo de evento llamado MSSI, que ocurre cuando una partícula deja rastros en dos zonas del detector pero solo una produce la señal eléctrica completa: el resultado es una señal que imita un rebote nuclear sin serlo.
El evento en cuestión se registró el 16 de junio de 2023 a las 21:22:39 UTC. Su posición dentro del detector era central, alejada de los bordes donde suelen concentrarse las señales erróneas, y todos los parámetros del instrumento eran normales en ese momento. Para reducir el riesgo de que los propios investigadores se vieran influidos por lo que esperaban encontrar, el equipo aplicó una técnica conocida como salting o “salado” de datos: durante el análisis se inyectan eventos artificiales que imitan señales de materia oscura. Solo cuando el trabajo está terminado se retiran esos eventos falsos. Al hacerlo, quedó un único evento real sin explicación conocida.
La significancia estadística global del resultado es de 2,6 sigma, un valor que en términos simples indica que hay aproximadamente un 0,5% de probabilidad de que el evento sea pura casualidad o producto de un ruido de fondo mal calculado. En física de partículas, el umbral para hablar de descubrimiento es 5 sigma, es decir, una probabilidad tan baja de error que la comunidad científica lo considera concluyente. El resultado actual no alcanza ese umbral, pero los autores lo consideran el indicio más convincente que el experimento produjo hasta la fecha.
Samuel Eriksen, investigador de la Universidad de Bristol y autor principal del estudio, explicó en declaraciones a la revista Nature que el equipo decidió hacer pública la información tras concluir que el resultado no tiene explicación con la física conocida. “Eso vale la pena contarlo”, dijo.
La posible partícula detrás del evento tendría una masa inusual
Si el evento fuera causado por una partícula de materia oscura, esa partícula tendría una masa de al menos 200 GeV/c², y probablemente alrededor de 1.000 GeV/c². Para dar una referencia concreta: un protón tiene una masa de aproximadamente 1 GeV/c², por lo que esta hipotética partícula pesaría más de mil veces más. El evento también sugeriría un tipo de interacción entre la materia oscura y la materia ordinaria más compleja que la que asumen los modelos más simples: compatible con ciertas teorías avanzadas en las que la partícula de materia oscura cambia de estado durante el choque, como si ganara masa al colisionar.
Aaron Manalaysay, físico del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) y presidente de la junta institucional de LZ, lo resumió de la siguiente manera: “Este es el primer ejemplo, en cualquier experimento en el que trabajé, de un evento atípico que parece válido en todos los aspectos”.
Otros experimentos del mundo siguen de cerca el resultado. Tanto PandaX, en China, como XENONnT, en Italia, llevan adelante búsquedas similares con detectores de xenón líquido. Elena Aprile, portavoz de XENONnT, afirmó en declaraciones recogidas por Nature que su experimento tiene una sensibilidad comparable a la de LZ en ese rango de energías.
El experimento LZ continúa la toma de datos desde el 1 de abril de 2024 bajo las mismas condiciones eléctricas y operativas. Con más datos, los investigadores podrán determinar si la señal se vuelve más sólida o si termina por desvanecerse como ruido de fondo.
