El misterio de la materia oscura se reaviva con un evento inexplicable en un detector

La comunidad científica mundial está conmocionada tras el anuncio de un evento intrigante por parte del experimento LUX-ZEPLIN (LZ) en la conferencia TeVPA en Japón, reavivando las esperanzas en la búsqueda de la materia oscura. Un misterioso destello de luz, registrado a casi dos kilómetros de profundidad, plantea preguntas sobre la naturaleza del universo invisible.

El misterioso evento detectado

El 16 de junio de 2023, a casi dos kilómetros de profundidad en las Black Hills de Dakota del Sur, se captó un destello de luz repentino. El evento ocurrió dentro de un tanque sellado de líquido extremadamente frío, parte central del experimento LUX-ZEPLIN (LZ), diseñado para cazar la materia oscura. Este destello también envió una carga eléctrica a través de cables finos sumergidos en el líquido.

Científicos de la colaboración LZ, que incluye a 250 científicos e ingenieros de 39 instituciones, observaron una colisión violenta entre una partícula desconocida y el núcleo de uno de los átomos del detector. El evento se destaca por no tener casi ninguna similitud con los «falsos positivos» —fuentes mundanas de destellos que imitan la materia oscura— que el equipo ha combatido. Aunque es intrigante, la colisión también está fuera de sincronía con el tipo de señal de materia oscura que los investigadores esperaban, siendo un misterio total.

¿Qué es la materia oscura?

Durante casi un siglo, la materia oscura ha sido uno de los mayores enigmas de la ciencia. Esta sustancia invisible compone aproximadamente el 85 % de la masa del universo, pero nunca se ha detectado directamente. Es omnipresente y abundante, ejerce peso gravitacional, pero no emite luz, lo que la hace imposible de rastrear con telescopios.

El universo, tal como lo conocemos, parece casi imposible de explicar sin la materia oscura. Las cosas que nuestros telescopios pueden rastrear giran demasiado rápido y forman cúmulos demasiado densos para una explicación fácil. La explicación más simple es que existe cinco veces más materia invisible e inerte que la materia que podemos ver.

La búsqueda de WIMPs

Los detectores como el LZ operan basándose en la hipótesis de que la materia oscura está compuesta por partículas masivas de interacción débil (WIMPs). Estas son partículas hipotéticas que, en la mayoría de los casos, atraviesan la materia común como fantasmas. Sin embargo, muy raramente, deberían interactuar con ella, colisionando aleatoriamente con un átomo. El LZ y sus competidores buscan empacar la mayor cantidad de átomos posible en los lugares más silenciosos que pueden encontrar para capturar estas colisiones.

El detector LZ utiliza 10 toneladas de xenón líquido ultrapurificado, operando a casi dos kilómetros bajo la superficie en la Instalación de Investigación Subterránea Sanford (SURF), en Dakota del Sur. La tecnología es increíblemente sensible, e incluso un único evento inexplicado puede tener un gran significado estadístico.

Un resultado intrigante, pero no un descubrimiento

A pesar del entusiasmo, la colaboración LZ aconseja cautela. Las probabilidades de que el destello sea una anomalía estadística son de aproximadamente 0,5 %, lo que se considera alto en los experimentos de física de partículas para declarar un descubrimiento. Para ser considerado un descubrimiento, el umbral estadístico es del 0,00003 % o el nivel de «5 sigma», y este nuevo análisis alcanzó 2,6 sigma.

Si el evento anómalo fue causado por la materia oscura, la WIMP que lo generó tendría una masa de al menos 200 GeV/c², o más de 200 veces la masa de un protón. También sugeriría un tipo específico de interacción entre WIMPs y materia común que va más allá del modelo más simple. La colisión de junio de 2023 cumple con la mayoría de las expectativas para WIMPs, excepto por ser demasiado «explosiva». Las teorías estándar sugieren que deberían haberse visto decenas o cientos de eventos más suaves antes, lo cual no ocurrió. «No deberíamos sentirnos cómodos haciendo afirmaciones específicas sobre la materia oscura o sobre la nueva física basándonos en un solo evento», dijo Knut Morå, físico de la Universidad de Zúrich y miembro de la colaboración LZ.

Próximos pasos en la investigación

Más respuestas deben surgir en un futuro cercano, con el análisis de un conjunto mayor de datos que ya ha sido adecuadamente «cegado» para evitar sesgos. «Esto fueron 200 días de datos. De hecho, tenemos más de 700 días cegados», afirmó Richard Gaitskell, profesor de la Universidad Brown y coportavoz del LZ.

Estos datos adicionales revelarán si este evento único es una anomalía o si hay más como él. En caso de confirmarse más eventos, otros experimentos competidores, como PandaX-4T y XENONnT, ayudarán a determinar si el LZ vio realmente WIMPs o algún «ruido de fondo» aún desconocido. Este momento se considera una «última ventana de oportunidad» para encontrar WIMPs, según Juan Collar, físico de la Universidad de Chicago.

Con información de Scientific American, Phys.org.