Exceso de eventos: mediciones inusuales del experimento Xenon1T que busca materia oscura ilusionan a los científicos

La base del detector Xenon1T con la estructura de bronce y los tubos fotomultiplicadores
La base del detector Xenon1T con la estructura de bronce y los tubos fotomultiplicadores Crédito: Gentileza Proyecto Xenon1T
Nicolás de la Barrera
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19 de junio de 2020  • 12:17

En este instante, una porción de materia oscura puede estar atravesando la atmósfera terrestre, las paredes de una casa, la ropa, la piel y el resto de los órganos de cualquier persona. Se trataría de un bombardeo igual al que pueden producir otra partículas, pero con varias peculiaridades que la hacen muy distinta a todo lo conocido. Invisible al ojo humano y, hasta ahora, imperceptible a los detectores más sensibles, la observación y captura de esta forma de materia, exótica y misteriosa, responsable de mantener unidas a las galaxias y de que el universo sea tal como se lo puede ver hoy, es uno de los mayores desafíos científicos de las últimas décadas.

La búsqueda de esta materia clave para la comprensión del cosmos se da en un marco de cierta incertidumbre. Sucede que, por sus propiedades, nunca nadie la vio de manera directa o pudo crearla en un laboratorio. Sin embargo, esta semana, el experimento internacional XENON1T, ubicado en las profundidades del Gran Sasso, en Italia , anunció la observación de un "exceso de eventos" en su detector de xenón líquido, el más sensible del mundo para la búsqueda de esta materia oscura.

Ante todo, cautela por el resultado

La cautela reina en la comunidad científica. Por ahora, nadie se apresura a decir que finalmente se encontró lo que se buscaba. Pero las hipótesis en juego no son tantas: "Hay otras cosas que pueden producir lo mismo, por eso hay que tener mucho cuidado. Una, por ejemplo, es que son neutrinos, que producen algo parecido, porque es materia que interactúa muy poco", dice Gastón Giribet , profesor e investigador del Instituto de Física de Buenos Aires (UBA -Conicet). En ese caso, se estaría ante una propiedad hasta ahora desconocida de estas partículas subatómicas.

El experimento Xenon1T. A la izquierda, un tanque de agua con un poster que muestra su interior; a la derecha, la estructura de servicio
El experimento Xenon1T. A la izquierda, un tanque de agua con un poster que muestra su interior; a la derecha, la estructura de servicio Crédito: Gentileza proyecto Xenon1T

Otra explicación, la esperada por los responsables del experimento, es que los efectos observados hayan sido provocados por " una partícula conjeturada , jamás antes observada", llamada axión. El detector, dice Giribet, fue diseñado para medir materia oscura asumiendo que esta va a interactuar de la manera en que se piensa que lo hace una axión que, de existir, "interactúa con la luz, pero de forma muy tenue", describe el investigador.

También, advierten los propios físicos del Xenon1T, se baraja otra explicación: que una mínima contaminación por tritio (un isótopo radiactivo del hidrógeno) haya generado los efectos observados -un destello ultravioleta y electrones libres de xenón-. En tanto que Giribet suma una cuarta alternativa: que un desperfecto en el experimento haya alterado las mediciones, como sucedió en 2011 con el experimento Opera, ubicado en el mismo lugar que el Xenon1T. "Habían detectado que los neutrinos iban más rápido que la luz y al final era un cable óptico mal conectado. Este es un experimento muy delicado y serio, pero es algo que ya pasó y es una posibilidad".

A través de un comunicado de prensa, los autores del experimento, publicado como una pre impresión académica por el momento, aseguraron que, de confirmarse el hallazgo, este tendría un "gran impacto" para el entendimiento de la física fundamental. "Los axiones producidos en el universo primitivo podrían ser la fuente de materia oscura", agregan.

Para Giribet, se trataría de "un descubrimiento enorme". "Soy muy cauto, pero si midieron axiones sería algo alucinante ", comenta.

Qué es lo que hace tan peculiar a la materia oscura

"De la materia oscura lo único que sabemos, o que creemos saber, es que es muy probable que exista y que muchas de las propiedades de la materia común no las tiene", dice el astrofísico Xavier Bertou , del Grupo de partículas y campos del Centro Atómico Bariloche, dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA-Conicet). En esta extraña característica reside uno de sus principales (y provocadores) atractivos.

Pero si es invisible, ¿por qué la comunidad científica tiene confianza acerca de su existencia? Sucede que los científicos pueden inferir la presencia de la materia oscura por los efectos que esta tiene sobre las estrellas y galaxias, hechas de materia visible como la que le da forma a todo lo que nos rodea.

Los científicos pueden observar el efecto gravitacional que provoca en la materia ordinaria, el mismo que generan los planetas y estrellas -objetos con mucha masa- ante la trayectoria de la luz que pasa cerca de ellos. La deformación en el tejido espacio-tiempo, que causa que la luz siga una trayectoria "curvada" ante estos grandes cuerpos -tal como postula la Teoría de la Relatividad General de Einstein- también sucede ante algo que los investigadores saben que está y ocupa un lugar en el espacio, pero que no puede verse.

"La materia oscura es completamente transparente . Y si estoy en un lugar donde hay una densidad enorme de materia oscura, puedo pasar mi mano a través de ella como si nada. Estas dos cosas son consecuencia de que no tiene la fuerza electromagnética -porque, en el fondo, todo lo que uno siente, todo lo que uno toca, tiene que ver con la interacción entre los átomos, una interacción eléctrica", explica el físico argentino Martín Makler , del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas de Río de Janeiro, perteneciente al Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovaciones de Brasil.

La materia visible es un 5% del universo

Después de todo, estar en contacto permanente con la materia oscura no sería descabellado. La combinación de modelos teóricos y observaciones dan como resultado que el universo visible sería apenas el 5% del total, y que un 27% estaría ocupado por la materia oscura (un 68% correspondería a la también poco conocida energía oscura). "Pensamos que está presente en todos lados -afirma Bertou-. De hecho, hay como una nube de materia oscura alrededor de nuestra galaxia y nosotros nos estamos moviendo con el Sol y con la Tierra adentro de esa nube. Estamos atravesando materia oscura o, de otra manera, ella nos está atravesando todo el tiempo".

Hasta ahora, la materia oscura ha evitado ser captada, observada y manipulada por los científicos, por lo que sus propiedades son, en su mayoría, desconocidas. Qué tamaño puede alcanzar o cómo puede agruparse también son cuestiones incluidas en el cúmulo de interrogantes que rodean a su naturaleza. El sentido común lleva a asociarla al mundo de lo microscópico pero, en algún momento, dice Bertou, también se pensó en la existencia de grandes astros, como planetas invisibles, conformados solo por esta sustancia que se mantiene en las tinieblas de la física. "Lo que más explican todas las observaciones es que son partículas. Sin embargo, no está descartado que objetos más masivos sean una parte de la materia oscura. Por ejemplo, agujeros negros originados muy poco tiempo después del momento del big bang", dice el investigador del Centro Atómico Bariloche.

"Lo que sabemos es que no se comporta como la materia, porque sino sería visible -resume Bertou-. Pero no es solamente que no refleja la luz, sino que, además, interactúa muy poco. Y eso es un problema para nosotros, porque uno puede pensar cómo hacer para observarla, si no refleja la luz, si nos atraviesa como si nada pasara".

A la caza de la materia oscura

Al igual que en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Italia, en otros puntos del planeta científicos en las profundidades de la Tierra o en su superficie se concentran en la búsqueda de materia oscura.

"Para buscar materia oscura lo que hacemos quienes trabajamos en el tema es, por un lado, detectar si esta interactúa en un detector; entonces veríamos que la materia oscura choca contra un átomo, para producir una pequeña señal que podemos ver", dice Bertou, coordinador del proyecto Andes (Agua Negra Deep Experiment Side) , la iniciativa internacional para crear un laboratorio subterráneo bajo la cordillera de los Andes (en donde se planea construir un túnel que una la Quebrada de San Lorenzo en la Argentina y el Llano de las Liebres en Chile). La instalación será la de mayor envergadura en el hemisferio sur y estudiará la naturaleza de partículas de interacciones débiles -neutrinos- y buscará también materia oscura.

Cada intento por encontrar de manera directa materia oscura responde a un modelo específico elaborado acerca de cuáles pueden sus propiedades y, principalmente, a qué fuerzas de la naturaleza responde.

En el Centro Brasileño de Investigaciones Físicas, las investigaciones apuntan a los neutrinos, emparentados con la materia oscura debido a que no responden ni a la fuerza electromagnética ni a la fuerza nuclear fuerte. Sin embargo, un detector de estos objetos microscópicos, de masa muy pequeña, también podría servir para la búsqueda de materia oscura, dice Makler.

"¿Cual es la ventaja que tenemos? En general los detectores de materia oscura están muy profundos en la tierra, en minas, o abajo de túneles a kilómetros de roca, para aislar el experimento de las partículas conocidas que vienen del espacio. Pero hay modelos en los que la materia oscura no tiene tanta penetración y sí interactúa con la materia, entonces no llegaría a los detectores en esos túneles profundos. Esa materia oscura no se detectaría en ningún laboratorio salvo que esté en la superficie, y el nuestro sí lo está. Gracias a esto podríamos buscar la materia oscura que otros detectores prácticamente no consiguen", explica Makler.

Otra de las estrategias apunta a encontrar la señal de una débil interacción de la materia oscura en el espacio profundo. En tanto una cuarta opción consiste en su producción artificial en aceleradores de partículas, como sucede en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), ubicado en la frontera entre Francia y Suiza.

En cualquier caso, la búsqueda es prácticamente hacia lo desconocido. De otra forma, la ciencia física debería volver sobre sus pasos para revisar una monumental construcción teórica, sólida y corroborada: la gravedad.

"Se intentó ese camino también, de decir 'bueno, no encontramos la materia oscura, quizá no existe'. Lo que pasa es que todos esos intentos de cambiar la gravedad, o sea, la Teoría de la Relatividad de Einstein, no funcionaron bien. Otros caminos serían que sea una partícula que solo tenga una interacción, sin ninguna otra de las fuerzas de la naturaleza; o que no existe y lo que hay es una gravedad modificada. Ese camino no tuvo éxito hasta ahora, pero no quiere decir que un físico mañana proponga una teoría que sí funcione", explica Makler.

Por lo pronto, el experimento Xenon1T validará o refutará sus observaciones. Actualmente, el detector se encuentra en una transición hacia una nueva fase: "El próximo va a ser un aparato nuevo de la misma naturaleza y en el mismo lugar, pero mucho más sensible. Y si este vio algo, el próximo lo que tiene que ver", dice Giribet. Caso contrario, se estará seguramente ante un fallo en el experimento.

Una cosa es segura: cuando se detecte directamente, el avance podría representar la inauguración de un nuevo campo en la física. Entonces, dice Bertou, surgirá una nueva pregunta: "Si se descubre, todavía habrá un montón de trabajo para entender qué se descubrió."

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