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Foto: El experimento XENON de tres pisos y su construcción de servicios (observa a los humanos para la escala en la parte inferior derecha (XENON collaboration)

Una misteriosa señal ha aparecido en un experimento extremadamente sensible en busca de materia oscura. Tras más de un año tratando de convencerse de que estaban viendo ruido, los científicos creen que podrían haber encontrado algo nuevo.

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Ahora, los científicos detrás del experimento de materia oscura XENON1T informan del resultado de una búsqueda a través de sus datos de partículas que interactúan con los electrones en su medio de detección. Han detectado evidencia de un exceso o más interacciones con el detector de lo que predeciría el modelo estándar de física de partículas. Todavía no saben qué está causando la señal; podría ser un evento raro pero mundano, o podría ser evidencia de algún otro fenómeno físico desconocido. 

No paramos de pensar sobre lo que podría ser”, dijo a Gizmodo Laura Baudis, astrofísica de partículas de la Universidad de Zúrich. Baudis explicó que la investigadora de la Universidad, Michelle Galloway, se quedó despierta hasta altas horas de la noche para trabajar junto con el estudiante graduado de la Universidad de Chicago Evan Shockley y el estudiante de la Universidad de California en San Diego, Jingqiang Ye, para completar el análisis.

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XENON1T es un experimento que contiene 3,2 toneladas métricas del elemento xenón, enterrado en las profundidades de una montaña en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso de INFN en Italia, que recopiló datos de 2016 a 2018. El experimento está a la espera de partículas que apenas interactúan con la materia. Causar un ligero golpe en los núcleos de xenón o sus electrones, liberando pequeños destellos de luz detectados por los sensores en las paredes del experimento. Los científicos que cooperan en XENON esperan descubrir la verdadera identidad de la materia oscura, el misterio cuya gravedad parece servir como andamiaje del universo pero que nuestras teorías de física de partículas no explican. Hasta ahora, los datos del experimento no han revelado ningún fenómeno físico nuevo.

Pero los datos de XENON1T tomados de febrero de 2017 a febrero de 2018 han revelado un exceso inesperado de interacciones de baja energía con los electrones del xenón: 285 eventos en lugar de los 232 eventos esperados, según el documento publicado hace unas horas en el sitio web XENON1T.

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Los físicos han formulado la hipótesis de varias fuentes potenciales del exceso, probando sus ideas contra los datos. Llegaron a las tres fuentes más probables: tal vez una partícula teórica no observada llamada axión golpeó el detector después de viajar desde el Sol. Tal vez una propiedad de la partícula de neutrino, llamada su momento magnético, sea más alta de lo que se predijo anteriormente. O, tal vez, simplemente detectaron un proceso radiactivo de fondo no contabilizado, la descomposición del isótopo de hidrógeno llamado tritio. Solo unos pocos átomos de tritio esparcidos en las dos toneladas de xenón ultra puro podrían haber producido la señal.

Los axiones son una partícula teórica de baja masa destinada a resolver un problema de física llamado problema CP fuerte, que pregunta por qué las partículas subatómicas llamadas quarks siguen las mismas leyes de la física cuando las reemplazas con la carga opuesta, cuando hay No hay razón para que tengan que hacerlo. Si existieran axiones, los científicos predicen que el Sol los produciría en su núcleo, y posiblemente podríamos detectarlos desde la Tierra. Los axiones también son un culpable propuesto para explicar al menos parte de la materia oscura.

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Los axiones solares que pasan por el detector se parecerían más a las señales que observaron los investigadores, con un significado de 3.5 sigma, lo que significa que existe un 99.98% de posibilidades de que la señal observada no haya sido causada por procesos físicos típicos. Sin embargo, la introducción de la desintegración del tritio como otro proceso de fondo disminuye la importancia a 2 sigma, o una probabilidad del 95% de que las interacciones físicas típicas más el tritio en descomposición no causen la señal, dijo Baudis. Más datos podrían eliminar fácilmente tal fluctuación y lo han hecho en el pasado. Los físicos de partículas se esfuerzan por lograr un significado de 5 sigma para proclamar un descubrimiento.

Otros físicos quedaron impresionados con la cantidad de trabajo y pensamiento que se incluyó en los análisis y con la extrema sensibilidad del detector, pero pidieron precaución con las interpretaciones de los resultados. “Han hecho un trabajo tremendamente bueno para comprender sus antecedentes”, dijo Jacob Bob Jacobsen, profesor de Berkeley de la Universidad de California, no involucrado en este trabajo. Pero señaló que simplemente no hay muchos datos para ir más allá. “Son solo pistas realmente interesantes”.

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Javier Redondo, físico de la Universidad de Zaragoza en España, le dijo a Gizmodo en un correo electrónico que la señal parecía que los axiones solares pasaban por XENON1T. Sin embargo, explicó, si las partículas de axiones hipotéticas producidas por el Sol crearan esta señal, entonces implica una interacción más fuerte entre axones y electrones de lo que la teoría predice hoy.

Incluso nuestro Sol no estaría de acuerdo con los mejores modelos y experimentos teóricos tan bien como ahora”, dijo. Las propiedades del axión solar implicadas por el experimento XENON1T darían como resultado que el Sol esté más caliente de lo que predicen los astrónomos y produzca muchos más neutrinos de lo que observan. Dijo que para que el análisis lo convenza de que los axiones solares estaban causando el exceso, querría ver una señal de arma humeante, como axiones solares que aparecen en experimentos dedicados llamados helioscopios magnéticos solares. Quizás otra partícula desconocida esté causando la señal, cuenta.

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Descubrir la verdadera causa de la señal requerirá más trabajo. Una serie de experimentos similares, como el experimento LZ en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur y PandaX en el Laboratorio Subterráneo China Jinping en Sichuan, China, probablemente seguirán con sus propios análisis para ver si encuentran la misma señal. El experimento XENON1T pronto obtendrá una actualización para convertirse en XENONnT, ahora con más xenón líquido, después de lo cual los físicos pueden repetir este análisis. XENONnT y los helioscopios magnéticos solares deberían poder detectar y explicar esta señal más fácilmente, si la señal se mantiene, por supuesto. “Hay demasiados “y si”, dijo Baudis.

Así es el camino de la física; a veces, las señales más interesantes se encuentran en los confines de la sensibilidad de un experimento y no ocurren con la frecuencia suficiente para que los físicos reclamen un descubrimiento. Si bien todos esperamos que estas señales resulten ser una característica inexplicable del universo, en ocasiones, son solo la descomposición ordinaria de un par de molestos átomos radiactivos. Por el momento, los físicos no saben lo que están observando. Todo lo que pueden decir es que definitivamente es interesante.

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