Informan de la posible detección directa de un axión, una partícula más allá de la Física conocida

By 18/06/2020 Portal

Un equipo de investigadores de la colaboración internacional XENON, uno de los mayores experimentos en marcha para la detección de materia oscura, acaba de anunciar que sus últimos datos muestran un sorprendente exceso de eventos, lo que se interpreta como la primera detección directa de un axión, una partícula hasta ahora hipotética y no contemplada en los modelos actuales. El experimento consiste en un tanque de 3.500 litros de xenon ultra puro líquido, rodeado por una multitud de sensores especialmente calibrados para detectar las posibles colisiones de partículas exóticas con sus átomos en el interior del tanque.

Los investigadores, que han compartido su hallazgo en el servidor de prepublicaciones arXiv, no afirman categóricamente el hallazgo, sino que creen que la inesperada tasa de eventos de colisión, cuya fuente aún se desconoce, podría ser la señal que revela la existencia de una nueva partícula, el axión solar, aunque también existen otras posibilidades.

El detector XENON1T, instalado a casi dos km de profundidad bajo los Apeninos italianos, en el laboratorio de Gran Sasso, fue diseñado principalmente para detectar materia oscura, el «otro» tipo de materia del Universo, cinco veces más abundante que la materia ordinaria, (de la que están hechas todas las estrellas y galaxias que podemos ver), pero que resulta indetectable porque no emite ningún tipo de radiación. La profundidad a la que se encuentra el experimento impide que la mayoría de las partículas «normales», lleguen hasta el detector.

Hasta ahora, sin embargo, los científicos solo han podido observar evidencias indirectas de materia oscura. Pero el detector también es sensible a otros tipos de nuevas partículas e interacciones teóricas, capaces de resolver otra serie de importantes cuestiones abiertas en Física. El año pasado, por ejemplo, los mismos investigadores publicaron en Nature la observación de la desintegración nuclear más extraña observada hasta la fecha.

Cuando una partícula alcanza su objetivo (el xenón líquido del tanque) e interacciona con él, puede generar pequeños destellos de luz y liberar electrones de un átomo de xenón. La mayor parte de esas interacciones suceden con partículas ya conocidas, pero al comparar los datos de XENON1T con los antecedentes conocidos, los investigadores se toparon, esta vez, con un sorprendente exceso de 53 eventos sobre los 232 que se esperaban. ¿De dónde viene, pues, ese exceso de colisiones?

Tres posibles explicaciones
Una posible explicación sería que existe una nueva fuente no considerada previamente, causada por la presencia de pequeñas cantidades de tritio en el propio detector. El tritio, un isótopo radiactivo del hidrógeno, se descompone de manera espontánea emitiendo un electrón cuya energía es muy similar a la observada. Y solo se necesitarían unos pocos átomos de tritio por cada 10 elevado a
25 átomos de xenón (es decir, por cada 10.000.000.000.000.000.000.000.000 átomos de xenón), para explicar el exceso de eventos. Actualmente, sin embargo, no existen mediciones independientes que puedan confirmar o refutar la presencia de la cantidad necesaria de tritio en el detector como para provocar esos resultados.

En segundo lugar, el exceso de eventos también podría deberse a los neutrinos, partículas casi sin masa que atraviesan la materia como si no existiera. Trillones de ellos, en efecto, atraviesan cada segundo cada centímetro cuadrado de la Tierra sin que ni siquiera nos demos cuenta de ello. Podría ser, por lo tanto, que el momento magnético (una propiedad de todas las partículas) de los neutrinos fuera mayor que el valor que se le asigna en el Modelo Estándar de la física, la gran teoría que reúne a todas las partículas y a las fuerzas que las gobiernan. Si fuera así, estaríamos ante una pista de la existencia de una «nueva Física» más allá del modelo establecido.

Pero la tercera explicación, la preferida por los investigadores, resulta mucho más excitante, e implicaría la existencia de una partícula totalmente nueva. De hecho, el exceso observado tiene un espectro de energía que es muy similar al que se espera que tengan los axiones producidos por el Sol. Los axiones son partículas hipotéticas cuya existencia se propuso para preservar una simetría de inversión de tiempo de la fuerza nuclear, y el Sol puede ser una fuente importante de ellas. Si bien estos axiones solares no son candidatos para la materia oscura, su detección marcaría la primera observación de una clase de partículas nuevas, predichas pero nunca observadas, con un gran impacto para nuestra comprensión de la física fundamental, y también para los fenómenos astrofísicos. Además, algunas teorías sostienen que los axiones producidos en el universo primitivo podrían ser, después de todo, la tan buscada fuente de materia oscura.

Una nueva partícula, la mejor explicación
Entre las tres opciones posibles, los investigadores de la colaboración XENON creen que la más consistente es que el exceso de eventos observado se deba a la acción de axiones solares. En términos estadísticos, esta hipótesis tiene un significado de 3,5 sigma, lo que significa que hay una probabilidad de 2 entre 10.000 de que el exceso observado se deba a una fluctuación aleatoria en vez de a una auténtica señal. Si bien se trata de un significado bastante alto, no es lo suficientemente grande como para concluir que, efectivamente, se han detectado axiones. Para anunciar oficialmente su descubrimiento, en efecto, sería necesaria una significación 5 sigma. Por su parte, las hipótesis del tritio y del momento magnético de los neutrinos tienen una significación estadística de 3,2 sigma. Es decir, que también son consistentes con los datos.

¿Cómo resolver la cuestión? Actualmente, el experimento XENON1T está siendo actualizado a su próxima fase, XENONnT, lo que significa que se triplicará la cantidad de xenón líquido en el interior del tanque, y por lo tanto la sensibilidad del detector. Con unos datos mejores, pues, los investigadores podrán determinar por fin si el exceso de eventos detectado es una simple casualidad estadística o si, por el contrario, se trata realmente del descubrimiento de una nueva partícula, más allá de la física conocida.