Una misteriosa señal abre una nueva pista en la búsqueda de la materia oscura

Una señal detectada a casi 1,5 kilómetros bajo tierra en Dakota del Sur ha abierto una de las pistas más intrigantes de los últimos años en la búsqueda de la materia oscura, la sustancia invisible que, según los modelos cosmológicos actuales, constituye aproximadamente el 85% de toda la materia del universo.

El experimento internacional LUX-ZEPLIN (LZ) identificó una interacción de partículas que los investigadores no han conseguido explicar satisfactoriamente mediante los procesos conocidos que pueden producir señales dentro del detector. El resultado fue presentado el 1 de septiembre y descrito por el equipo como el indicio más interesante obtenido hasta ahora por LZ.

La posibilidad que ha despertado el interés de los físicos es extraordinaria: el evento posee características compatibles con la interacción de una WIMP —partícula masiva débilmente interactuante—, una de las principales candidatas propuestas durante décadas para explicar la naturaleza de la materia oscura.

Sin embargo, los propios científicos insisten en una advertencia fundamental: no puede afirmarse que se haya descubierto la materia oscura.

Un destello en diez toneladas de xenón

LUX-ZEPLIN funciona en el Sanford Underground Research Facility, instalado en una antigua mina de oro de Dakota del Sur. Su ubicación a gran profundidad permite aislar el experimento de buena parte de la radiación cósmica que llega continuamente a la superficie terrestre.

El corazón del instrumento contiene aproximadamente diez toneladas de xenón líquido, utilizado para detectar interacciones extremadamente infrecuentes entre partículas.

Cuando una partícula golpea el núcleo de un átomo de xenón, puede provocar un diminuto retroceso acompañado por señales luminosas y eléctricas. Los científicos estudian esas perturbaciones para determinar qué clase de partícula pudo producirlas y, sobre todo, descartar fuentes convencionales.

En el nuevo análisis apareció un único evento con una energía y unas características difíciles de explicar mediante los fondos conocidos.

El Lawrence Berkeley National Laboratory, institución que dirige el experimento, señala que la interacción podría interpretarse como una señal producida por determinados modelos de WIMP, aunque todavía existen otras explicaciones posibles que deberán ser investigadas.

¿Qué es una WIMP?

Las WIMP son partículas hipotéticas que tendrían masa pero interactuarían muy débilmente con la materia ordinaria.

Precisamente esa característica permitiría explicar por qué una cantidad enorme de materia puede existir en el universo sin emitir, absorber ni reflejar luz y, al mismo tiempo, ejercer una influencia gravitatoria observable sobre estrellas y galaxias.

La existencia de materia oscura se infiere desde hace décadas a partir de numerosos fenómenos astronómicos. La velocidad con la que giran las galaxias, el comportamiento de los cúmulos galácticos y la formación de las grandes estructuras del cosmos indican que existe mucha más materia que aquella que podemos observar directamente.

Lo que todavía permanece sin resolver es de qué está hecha.

Encontrar una WIMP supondría, por tanto, identificar por primera vez uno de los posibles componentes fundamentales de esa materia invisible.

2,6 sigma: interesante, pero insuficiente

Aquí reside la diferencia entre una pista extraordinaria y un descubrimiento científico.

El análisis alcanza una significación estadística de aproximadamente 2,6 sigma. Según los investigadores, esto equivale a una probabilidad cercana al 0,5% de que los procesos de fondo conocidos produzcan un resultado semejante.

Es una anomalía suficientemente interesante para justificar nuevos análisis, pero se encuentra todavía muy lejos del estándar de cinco sigma utilizado habitualmente en física de partículas para anunciar un descubrimiento.

Ese nivel exige que la posibilidad estadística de que una señal semejante sea una fluctuación resulte extraordinariamente pequeña.

El propio equipo de LZ ha adoptado por ello una posición prudente. Los investigadores no hablan de detección de materia oscura, sino de un resultado inesperado cuya naturaleza todavía debe determinarse.

La revista científica Nature destacó el entusiasmo provocado por el evento entre algunos físicos, pero recordó también que la historia de la búsqueda de materia oscura contiene anteriores señales prometedoras que finalmente encontraron explicaciones convencionales o desaparecieron cuando se acumularon más datos.

Un detector construido para encontrar lo casi invisible

La extrema sensibilidad de LUX-ZEPLIN explica por qué incluso un único evento merece atención.

El experimento está diseñado para registrar interacciones extraordinariamente infrecuentes. Además de encontrarse bajo una enorme cantidad de roca, utiliza diferentes capas de protección destinadas a reducir la radiación ambiental y distinguir una posible interacción de materia oscura del ruido producido por otras partículas.

El nuevo resultado procede de una exposición acumulada de aproximadamente 2,84 toneladas-año de xenón y amplía el rango energético examinado por el detector hasta unos 270 kiloelectronvoltios.

Esa ampliación permite buscar tipos de interacción que podían pasar inadvertidos en análisis anteriores y explorar modelos de materia oscura diferentes de las búsquedas tradicionales.

LZ continuará tomando datos en el Sanford Underground Research Facility. La colaboración, integrada por alrededor de 250 científicos e ingenieros, espera que nuevas observaciones permitan determinar si el evento constituye una señal repetible o simplemente una anomalía aislada.

Una pregunta que lleva décadas abierta

La materia que podemos observar —estrellas, planetas, gas, polvo y los propios seres humanos— constituye solamente una fracción de la materia existente en el cosmos.

El resto corresponde mayoritariamente a materia oscura, cuya presencia conocemos por sus efectos gravitatorios pero cuya composición física continúa siendo uno de los grandes enigmas de la ciencia moderna.

Los investigadores han desarrollado diferentes estrategias para resolverlo. Algunos experimentos intentan producir partículas desconocidas mediante grandes aceleradores; otros observan el espacio en busca de posibles productos de su interacción, mientras detectores subterráneos como LUX-ZEPLIN esperan registrar directamente el instante en que una partícula de materia oscura choque contra un átomo de materia ordinaria.

Durante décadas, ninguna de esas estrategias ha proporcionado una identificación inequívoca.

Por eso un solo evento registrado en Dakota del Sur ha llamado la atención de la comunidad científica internacional.

Si las futuras observaciones encuentran más interacciones con las mismas características y la significación estadística aumenta, la señal podría convertirse en una pista fundamental sobre la composición del universo. Si no vuelve a aparecer, probablemente terminará incorporándose a la larga historia de anomalías que acompañan la búsqueda de partículas extremadamente difíciles de detectar.

Por ahora, la conclusión científica debe permanecer exactamente en ese punto: LUX-ZEPLIN ha encontrado algo que todavía no consigue explicar y que podría ser compatible con materia oscura, pero aún no sabemos qué es.

Esa incertidumbre, lejos de disminuir la importancia del resultado, es precisamente lo que convierte al evento en una de las pistas más interesantes de la física de partículas de los últimos años.