Un inesperado exceso de eventos abre otros caminos a la física

Un grupo de investigadores descubrió posible axión solar. Una partícula hipotética que se encuentra más allá de la física conocida. El hallazgo se produjo a partir de un experimento que busca detectar la materia oscura, uno de los grandes misterios del cosmos. Los científicos observaron un inesperado exceso de eventos, cuyo origen aún no comprenden.

Un axión es una partícula hipotética que se podría haber producido de forma natural en una época temprana del Universo. De existir, serían los componentes de la materia oscura, que comprende casi la cuarta parte de toda la masa del cosmos.

Oggi nel corso di un seminario online, XENON1T, uno degli esperimenti di punta nella ricerca diretta della materia oscura presso i LNGS dell’ @INFN_, ha presentato l’analisi dei suoi ultimi dati, mostrando un inatteso eccesso di eventi.
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— LNGS (@LngsInfn) June 17, 2020

XENON

Actualmente, un equipo de investigadores trabaja en un proyecto de colaboración internacional llamado XENON. El proyecto en marcha es uno de los mayores experimentos que se dedica a detectar la materia oscura. Como parte del proyecto, está el experimento XENON1T.

XENON1T es un detector que se encuentra bajo tierra en Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia. El experimento consistió en llenar el detector con 3,2 toneladas de xenón -un gas noble incoloro e inodoro que se usa en ciertos mecanismos de iluminación- licuado y puro. Un total de 2 toneladas del gas se usaron para evaluar las interacciones de las partículas.

Cuando una partícula se cruza el objetivo, del detector produce pequeñas señales de luz y electrones libres de un átomo de xenón. La mayor parte de las interacciones ocurren con partículas ya conocidas por la física experimental. De manera que los investigadores del proyecto, estimaron el número de eventos que desencadenaría XENON1T.

Tres explicaciones para el exceso de eventos

La sorpresa surgió al comparar las estimaciones con los datos que arrojó el experimento. Se esperaban un total de 232 eventos, sin embrago, se observó un exceso de 53 eventos por encima de la cifra estimada. Lo que condujo a los investigadores a preguntarse sobre el origen del exceso de eventos. El Proyecto XENON consideró varias hipótesis.

La primera explicación apunta a una fuente no considerada de partículas. La causa de la nueva fuente podrían ser pequeñas cantidades de tritio -un isótopo radiactivo de hidrógeno- en el detector XENON1T. El tritio es capaz de descomponerse espontáneamente. Unos pocos átomos de tritio por 10 elevado a la 25 átomos de xenón serían suficientes para explicar el exceso de eventos.

La otra explicación, más emocionante para la física experimental, sería el descubrimiento de una nueva partícula. Señala la investigación que el exceso de eventos observados genera un espectro de energía similar a los que tendrían los axiones producidos en el sol.

Los axiones son partículas propuestas para la simetría de inversión de tiempo de la fuerza nuclear. Se cree que el sol puede ser una fuente importante de axiones. Si bien los supuestos axiones producidos por XENON1T no son axiones candidatos a componentes de materia oscura, su descubrimiento sería la primera observación de partículas jamás vistas.

Existe una tercera explicación del exceso de eventos, cuya causa serían los neutrinos, partículas subatómicas sin carga ni masa que atraviesan cada segundo, cada centímetro cuadrado de la Tierra sin que lo notemos.

Las partículas tienen una propiedad que se llama momento magnético. Puede ser que el momento magnético de los neutrinos fuera mayor al valor que le asigna el Modelo Estándar de la Física. De ser así, se estaría frente a una «nueva Física», necesaria para explicar el nuevo valor de los neutrinos.

Axion solar

De las tres explicaciones, la investigación considera que las más consistente es el descubrimiento del posible axión solar. La consideración se basa en las estadísticas. La hipótesis del axión solar tiene un significado de 3.5 sigma. Mientras que las hipótesis relativas al tritio y a los neutrinos tienen un significado de 3.2 sigma.

A pesar del hallazgo y de la consistencia en los datos, los investigadores no afirman que encontraron materia oscura. Sí hay una una tasa inesperada de eventos, pero el origen aún se desconoce.

Se estima que con la actualización de XENON1T a XENONnT se obtendrán mejores resultados. Con los nuevos datos, se podría descubrir si el exceso de eventos es una simple casualidad estadística o una nueva partícula que interacciona más allá de la física conocida.

En el proyecto XENON participan 163 científicos de 28 instituciones en 11 países. Los resultados XENON1T se publicaron en el sitio de preimpresiones arXiv como un experimento de física de alta energía.

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