Físicos de EE.UU. detectan por primera vez una posible partícula de materia oscura

Científicos de Estados Unidos han anunciado un posible avance en la búsqueda de la enigmática materia oscura que forma la mayor parte de la materia del universo y que hasta ahora nunca ha podido ser observada directamente. Han identificado el rastro de una partícula que no coincide con ninguna de las partículas actualmente conocidas, pero que encaja con algunos modelos teóricos de materia oscura.

Un posible retroceso nuclear de origen desconocido

El 16 de junio de 2023, a casi un kilómetro y medio bajo las Colinas Negras de Dakota del Sur, cientos de sensores registraron dos breves destellos dentro de un gran depósito de xenón líquido. La combinación de ambas señales indicaba que algo había golpeado con una energía inusual el núcleo de un átomo de xenón.

Más de tres años después, los investigadores todavía no saben qué produjo aquella señal. La colaboración internacional LUX-ZEPLIN (LZ), formada por unos 250 científicos e ingenieros, ha estudiado posibles fuentes de radiación, partículas conocidas y fallos del instrumento sin encontrar una explicación convincente. No obstante, el impacto encaja con algunas hipótesis de materia oscura. La limitación fundamental es que solo se ha detectado una vez.

El resultado se ha presentado en la conferencia TeV Particle Astrophysics, celebrada en Tendo (Japón), y aparece en un manuscrito que la colaboración ha enviado a la revista Physical Review Letters. Por ahora es un preprint y todavía no ha sido aprobado por científicos independientes. “No queremos adelantarnos a los acontecimientos. No afirmamos haber detectado materia oscura, pero sí hemos observado algo interesante que queremos compartir con la comunidad científica para recabar su opinión”, ha advertido Rick Gaitskell, profesor de la Universidad de Brown y portavoz de LZ.

La materia invisible del universo

La materia oscura no emite ni refleja luz, pero su gravedad se aprecia en el movimiento de las galaxias y en la estructura del universo. Representa alrededor del 85% de toda la materia. “Podemos pensar en la materia oscura como el pegamento cósmico que permitió la formación de galaxias como nuestra Vía Láctea”, explicó Alvine Kamaha, astrofísica de la UCLA y coautora, durante la conferencia.

Una de las hipótesis más estudiadas propone que está formada por WIMP, siglas en inglés de “partículas masivas que interactúan débilmente”. Son partículas pesadas que apenas reaccionan con la materia ordinaria.

La mayoría de las WIMP atravesarían la Tierra sin chocar con ningún átomo, pero muy de vez en cuando, una WIMP podría chocar con un núcleo y hacerlo retroceder a una distancia minúscula. Este movimiento, llamado retroceso nuclear, es la señal que buscan LZ y otros experimentos subterráneos como XENONnT, en Italia, y PandaX-4T, en China.

LZ está instalado en el Laboratorio de Investigación Subterránea Sanford, construido en una antigua mina de oro y protegido de los rayos cósmicos por la roca. Contiene siete toneladas de xenón líquido activo. Cada interacción genera un primer destello y libera electrones que producen otro. La relación entre ambas señales permite distinguir aproximadamente si el impacto desplazó el núcleo, como podría hacer una WIMP, o golpeó sus electrones, como ocurre habitualmente con la radiactividad.

Lo que el detector no puede aclarar todavía

El hallazgo procede de un nuevo análisis de 220 días de datos recogidos entre marzo de 2023 y abril de 2024, en el que buscaron colisiones más energéticas e interacciones más complejas. La señal detectada se parece mucho más a un retroceso nuclear que a una interacción con electrones. Además, ocurrió en la zona interior del depósito, no activó los detectores exteriores y tuvo una energía compatible con algunos modelos de WIMP muy pesadas.

Al comparar el evento con algunos modelos teóricos de materia oscura, el resultado alcanza 3,4 sigmas. Los físicos utilizan esta medida para indicar cuánto se aleja un dato de lo esperable por azar. Cuantos más sigmas, más difícil es atribuirlo a una casualidad y se exigen convencionalmente cinco sigmas para anunciar un descubrimiento. Sin embargo, el equipo probó 616 combinaciones de masas y formas de interacción. Al realizar tantas comparaciones, aumenta la probabilidad de que alguna coincida con los datos por casualidad. Después de tenerlo en cuenta, la significación final bajó a 2,6 sigmas. Esto quiere decir que, si no hubiera materia oscura y todos los fenómenos de fondo estuvieran bien descritos, un resultado igual aparecería por azar entre cinco y diez veces de cada mil.

Los científicos han buscado explicaciones ordinarias. Neutrones y neutrinos también pueden golpear núcleos, aunque difícilmente producirían un choque tan energético sin otras señales. También se estudiaron pulsos asociados por accidente y colisiones con pérdida de carga. El equipo no ha identificado ninguna como explicación probable, pero no todas pueden descartarse.

El propio manuscrito reconoce varias limitaciones. La duración y la forma del primer destello no permiten decidir por sí solas si se movió el núcleo de un átomo o uno de sus electrones. Además, para evitar que sus expectativas influyeran en el análisis, la colaboración introdujo eventos artificiales entre los datos reales sin decir a los analistas cuáles eran. Sin embargo, esas señales no cubrían bien la zona donde apareció la anomalía, por lo que esta parte del análisis no fue completamente “ciega”.

Si fuera materia oscura, sería una partícula muy pesada

Si la colisión fue causada realmente por materia oscura, la partícula responsable tendría probablemente más de 200 veces la masa de un protón. Por tanto, una confirmación apuntaría hacia una clase de materia oscura muy pesada y con una forma de interacción distinta de la que ha centrado la mayoría de las búsquedas realizadas hasta ahora. Una posible explicación es la llamada materia oscura inelástica. En estos modelos, la partícula entraría en el detector en un estado y, durante el choque, se transformaría en una versión ligeramente más pesada.

La prueba decisiva puede estar ya almacenada. El laboratorio ha recogido al menos dos veces más datos que los utilizados en este análisis y prevé seguir funcionando hasta, como mínimo, 2028. La aparición de nuevas colisiones con características parecidas reforzaría la interpretación de la materia oscura.