Detectada una posible part¨ªcula de materia oscura

Unas se?ales captadas en uno de los mayores laboratorios subterr¨¢neos del mundo podr¨ªan ser la primera observaci¨®n de materia oscura, el misterioso componente que supone el 27% de todo el universo.

La materia oscura es una de las mayores inc¨®gnitas de la f¨ªsica. Sin su empuje gravitatorio las galaxias se desmenuzar¨ªan y no podr¨ªan existir. Aunque en teor¨ªa es seis veces m¨¢s abundante que la materia convencional de la que est¨¢ hecho el mundo visible, nunca ha sido observada. En conjunto, los humanos solo sabemos de qu¨¦ est¨¢ hecho el 5% de todo el universo ¡ªmateria convencional¡ª. El resto es materia oscura (27%) y energ¨ªa oscura (68%) totalmente desconocidas.

Los nuevos datos provienen de un enorme tanque con m¨¢s de tres toneladas de gas xen¨®n construido bajo 1.400 metros de pura roca en el macizo monta?oso del Gran Sasso, en Italia. Este aislante es perfecto para amortiguar el bombardeo natural de part¨ªculas que recibe la Tierra y que podr¨ªan causar interferencias con los ¨¢tomos de xen¨®n, un gas noble que enfriado a temperaturas de casi 100 grados bajo cero es muy adecuado para detectar fen¨®menos f¨ªsicos muy poco frecuentes.

Este experimento llamado XENON1T es el m¨¢s preciso en su clase. Sus responsables acaban de anunciar que han captado decenas de se?ales que podr¨ªan ser axiones: una part¨ªcula te¨®rica de masa peque?¨ªsima que podr¨ªa ser el componente b¨¢sico de la materia oscura. Se piensa que la materia oscura est¨¢ hecha de part¨ªculas que interact¨²an de forma muy d¨¦bil con las convencionales. Si una part¨ªcula de materia oscura entrase en el tanque y chocase con un ¨¢tomo de xen¨®n, se emitir¨ªa un electr¨®n produciendo un destello de luz y liberando una peque?a cantidad de energ¨ªa que captar¨ªan los detectores del experimento.

Hay fen¨®menos m¨¢s mundanos como la radiactividad natural o los rayos c¨®smicos que pueden producir esta misma se?al. Los cient¨ªficos han calculado cu¨¢ntos de estos eventos sin inter¨¦s deber¨ªan haberse producido en el tiempo de observaci¨®n: desde 2016 hasta el a?o pasado. Los resultados muestran que eran de esperar 232, pero se detectaron 53 m¨¢s.

Justo despu¨¦s del Big Bang, hace 13.700 millones de a?os, se pudieron producir una gran cantidad de axiones que hoy seguir¨ªan presentes

Los responsables del experimento creen que esas se?ales redundantes pueden ser axiones producidos por el Sol. En s¨ª estas part¨ªculas solares no ser¨ªan materia oscura, pero demostrar¨ªan por primera vez la existencia de esta part¨ªcula.

Justo despu¨¦s del Big Bang, hace 13.700 millones de a?os, se pudieron producir una gran cantidad de axiones que hoy seguir¨ªan presentes, explica Igor Garc¨ªa Irastorza, investigador del laboratorio europeo de f¨ªsica de part¨ªculas CERN. ¡°En teor¨ªa el Big Bang pudo producir suficientes axiones como para componer toda la materia oscura existente. Se trata de part¨ªculas muy estables, por lo que hay muy baja probabilidad de que se desintegren y esto permitir¨ªa detectarlos a¨²n¡±, explica. Es curioso que la ¨²nica part¨ªcula conocida m¨¢s ligera que un axi¨®n de posible materia oscura es el fot¨®n, la part¨ªcula de la luz, resalta el investigador.

A pesar del inter¨¦s, ¡°hay que tomar estos resultados con mucha cautela¡±, advierte Garc¨ªa. ¡°Las se?ales son muy d¨¦biles y est¨¢n muy cercana al l¨ªmite de detecci¨®n del experimento, de modo que es imposible saber qu¨¦ es ruido de fondo y qu¨¦ es se?al¡±, explica. Por otro lado, el tipo de axiones que se habr¨ªan cazado en Italia ¡°violar¨ªan varias predicciones te¨®ricas sobre astrof¨ªsica que se consideran muy s¨®lidas¡±, advierte Garc¨ªa.

Hay una explicaci¨®n menos ex¨®tica para estos mismos resultados: que en el tanque hubiese tan solo unos pocos ¨¢tomos de tritio, un is¨®topo del hidr¨®geno que al decaer producir¨ªa los electrones observados. Seg¨²n el estudio preliminar del equipo de XENON1T la explicaci¨®n m¨¢s probable estad¨ªsticamente es la de los axiones solares, pero seguida muy de cerca por la del tritio. Hay una tercera posibilidad: que la se?al sean neutrinos con propiedades magn¨¦ticas no observadas hasta ahora.

El experimento italiano fue dise?ado para detectar otro candidato a materia oscura: los WIMPS, o part¨ªculas masivas de interacci¨®n d¨¦bil que son millones de veces m¨¢s pesadas que el axi¨®n. A pesar de ser las favoritas a explicar esta parte del universo oscuro, despu¨¦s de a?os 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 a?os mucha gente se ha volcado en su b¨²squeda, en parte debido a las decepciones de la b¨²squeda de WIMPS¡±, explica Javier Redondo, f¨ªsico te¨®rico de la Universidad de Zaragoza. La existencia de los axiones se teoriz¨® en los a?os setenta para explicar otro fen¨®meno de f¨ªsica de part¨ªculas y ya en los ochenta se vio que tambi¨¦n pod¨ªa explicar el problema de la materia oscura. ¡°Es posible que lo que han descubierto sea alg¨²n tipo extra?o de materia oscura, pero es m¨¢s probable que se deba a un proceso dentro de su detector [una fuente de ruido] que no hab¨ªan detectado hasta ahora¡±, opina.

¡°Despu¨¦s de un resultado tan interesante arranca una labor de detectives para intentar explicarlo¡±, resume Juan Jos¨¦ G¨®mez-Cadenas, f¨ªsico de part¨ªculas 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 se?al o demostrar que es falsa. Nosotros en NEXT tambi¨¦n podemos buscarla a partir del pr¨®ximo a?o¡±, explica. Un poco m¨¢s adelante se sumar¨¢n instrumentos nuevos como IAXO, del que Garc¨ªa 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 qu¨¦ est¨¢ pasando¡±, concluye G¨®mez-Cadenas.

En esta carrera tambi¨¦n va a estar XENON. ¡°El detector se est¨¢ ampliado para albergar hasta seis toneladas de gas, lo que permitir¨ªa detectar muchas m¨¢s se?ales si es que siguen ah¨ª¡±, explica Sonja Orrigo, investigadora del Instituto de F¨ªsica Corpuscular de Valencia que trabaj¨® en este experimento durante seis a?os. ¡°Los primeros resultados de esta versi¨®n mejorada podr¨ªan llegar en dos o tres a?os¡±, explica.

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