Experimento podría haber detectado un axión, partícula que desafía la Física conocida

Un equipo internacional de investigadores buscaba materia oscura, pero podría haber encontrado algo aún más exótico para la ciencia.

Científicos examinan el detector XENON1T. Foto: Universidad de Chicago.
Científicos examinan el detector XENON1T. Foto: Universidad de Chicago.

Los científicos que usaron el detector XENON1T han informado del probable descubrimiento de un axión, una partícula teórica cuya existencia desafía los modelos que rigen la Física en la actualidad.

XENON1T es el instrumento más sensible del mundo para la búsqueda de materia oscura, que constituye el 85 % de la materia en el universo pero que no podemos ver directamente. Sin embargo, en el reciente experimento arrojó una anomalía inesperada.

Tanque usado para el experimento. Foto: Colaboración XENON1T.

Para la prueba, se llenó un tanque con 3,2 toneladas de xenón licuado (un gas en estado líquido) ultrapuro , rodeado por una serie de sensores calibrados para detectar posibles choques de partículas extrañas con los átomos de xenón.

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Cuando ocurren estas colisiones, se pueden generar pequeños destellos de luz y liberar electrones de un átomo de xenón. La mayoría de estas interacciones ocurren con partículas ya conocidas. Por lo tanto, los científicos estimaron cuidadosamente el número de eventos esperados.

Choque de partículas. Imagen: CERN.

Cuando se compararon los datos de XENON1T con los antecedentes conocidos, se observó un sorprendente exceso de 53 eventos sobre los 232 que se esperaban. Esto hizo que se preguntaran: “¿De dónde viene este exceso?”

Posible origen de la anomalía

Una de las explicaciones posibles para el fenómeno detectado puede ser la presencia de pequeñas cantidades de tritio dentro del tanque. El tritio, un isótopo radiactivo del hidrógeno, se descompone de manera espontánea emitiendo un electrón cuya energía es muy similar a la observada. Sin embargo, no se disponen de mediciones independientes que puedan verificar si hubo la cantidad necesaria de este elemento como para provocar esos resultados.

XENON1T

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Otra posible causa se atribuye a los neutrinos, partículas casi sin masa que atraviesan nuestro cuerpo y cualquier tipo de materia. La detección se debería a que el momento magnético (una propiedad de todas las partículas) de los neutrinos es mayor que su valor fijado en el Modelo Estándar de partículas elementales. Los autores señalan que esto sería una pista de la existencia de una “nueva Física”.

Aún más emocionante es la tercera posible explicación: El exceso observado tiene un espectro de energía similar al que se calculó para los axiones solares, unas partículas hipotéticas que nunca se han detectado. Los axiones se propusieron para dar sentido a una simetría de inversión de tiempo de la fuerza nuclear, y el Sol puede ser una fuente importante de estas partículas.

Representación de un axión. Imagen: Shutterstock.

“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 la fuente de materia oscura”, describe un comunicado del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo.

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¿La explicación más probable?

Los investigadores establecieron que el axión solar es la causa más consistente con las detecciones de XENON1T. En términos estadísticos, la hipótesis del axión solar tiene un valor de 3,5 sigma, lo que significa que hay probabilidad de 2 entre 10.000 de que la detección se deba a un fenómeno diferente.

Sin embargo, para descartar las otras dos posibles causas (con valores de 3,2) y anunciar oficialmente el descubrimiento del axión solar, sería necesario un valor de 5 sigma.

Los científicos esperan despejar sus dudas en los próximos experimentos, ya que XENON1T está siendo actualizado a su próxima fase, XENONnT, que triplicará la cantidad de xenón líquido en el interior del tanque y, por ende, aumentará la capacidad de detección.

“La colaboración de XENON confía en que pronto descubrirá si este exceso es una mera casualidad estadística, un contaminante de fondo o algo mucho más emocionante: una nueva partícula o interacción que va más allá de la física conocida”, concluye el comunicado.