A casi 1,5 kilómetros bajo las Colinas Negras de Dakota del Sur, un enorme detector lleva años esperando algo extraordinariamente improbable: que una partícula de materia oscura choque con un átomo y deje una señal medible. El 16 de junio de 2023, el experimento LUX-ZEPLIN (LZ) registró precisamente un evento que, más de tres años después, continúa sin una explicación clara.
Dentro de sus siete toneladas de xenón líquido, cientos de sensores detectaron dos breves destellos compatibles con el impacto de una partícula contra el núcleo de un átomo. Desde entonces, los científicos han estudiado posibles fuentes de radiación, partículas conocidas y errores instrumentales, pero ninguna explicación termina de encajar.
Eso no significa que hayan encontrado materia oscura. La señal apareció una sola vez y todavía podría tener un origen convencional desconocido.
Una colisión difícil de explicar
LUX-ZEPLIN está instalado en el Laboratorio de Investigación Subterránea Sanford, una antigua mina de oro cuya enorme capa de roca ayuda a proteger el experimento de los rayos cósmicos.
Cuando una partícula interactúa con el xenón, produce un primer destello de luz y libera electrones que generan una segunda señal. Analizando la relación entre ambas, los investigadores pueden estimar si la interacción afectó principalmente a los electrones del átomo o provocó un retroceso nuclear, justo el tipo de colisión que podría producir una partícula de materia oscura.
El evento de 2023 se parece mucho más a este segundo caso. Además, se produjo en la región interior del detector, no activó los sistemas exteriores y alcanzó una energía compatible con algunos modelos de partículas de materia oscura muy pesadas.
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La señal es interesante, pero todavía no alcanza para hablar de descubrimiento
El resultado procede de un análisis de 220 días de observaciones obtenidas entre marzo de 2023 y abril de 2024.
En determinadas hipótesis de materia oscura, la anomalía alcanza inicialmente una significación estadística de 3,4 sigmas. Sin embargo, el equipo probó 616 combinaciones diferentes de masas y tipos de interacción. Al corregir el resultado por la posibilidad de obtener alguna coincidencia simplemente por realizar tantas comparaciones, la significación cae a 2,6 sigmas.
En física de partículas, normalmente se exige alcanzar cinco sigmas antes de anunciar formalmente un descubrimiento. Por eso Rick Gaitskell, portavoz de LZ y profesor de la Universidad de Brown, ha sido especialmente prudente: el equipo no afirma haber detectado materia oscura, sino haber encontrado una señal lo suficientemente interesante como para compartirla con la comunidad científica.
Si fuera materia oscura, sería extremadamente pesada
Una de las hipótesis más conocidas propone que la materia oscura está formada por WIMP, partículas masivas que interactúan muy débilmente con la materia ordinaria.
La inmensa mayoría atravesaría nuestro planeta sin tocar nada. Pero, excepcionalmente, una podría chocar contra el núcleo de un átomo de xenón y provocar el tipo de retroceso que busca LZ.
Si el evento detectado tuviera realmente ese origen, la partícula responsable probablemente tendría más de 200 veces la masa de un protón, lo que apuntaría hacia una categoría especialmente pesada de materia oscura. Otra posibilidad sería la llamada materia oscura inelástica, en la que una partícula cambiaría a un estado ligeramente más pesado durante la propia colisión.
La respuesta podría estar ya dentro de los datos
Los científicos también han estudiado explicaciones más ordinarias, como neutrones, neutrinos, pulsos accidentales o interacciones en las que parte de la carga no se detectó correctamente. Ninguna explica de forma convincente el evento, aunque tampoco todas pueden descartarse.
La buena noticia es que LZ ya ha recopilado al menos el doble de datos utilizados en este análisis y está previsto que continúe funcionando como mínimo hasta 2028.
Si aparecen nuevas colisiones con características similares, el interés aumentará considerablemente. Si no vuelven a aparecer, aquel destello de 2023 podría terminar siendo simplemente una anomalía estadística o un fenómeno todavía desconocido del detector. Por ahora, la materia oscura sigue siendo invisible. Pero por primera vez LUX-ZEPLIN tiene entre sus datos una señal que merece ser observada con especial atención.
