Detectan el evento más prometedor de materia oscura en el mayor detector subterráneo del mundo

A casi mil quinientos metros bajo tierra, en Dakota del Sur, un tanque de titanio lleno de xenón líquido ultrapuro ha capturado algo que los físicos llevan décadas persiguiendo sin éxito: una señal que podría ser la primera evidencia directa de materia oscura. El 16 de junio de 2023, el experimento LUX-ZEPLIN registró un evento único catalogado como LZ230616, una colisión de 248 kiloelectronvoltios que aparece exactamente donde los científicos esperaban encontrar esta sustancia invisible que constituye la mayor parte del universo.

La materia oscura es invisible porque no interactúa con la luz de ninguna forma, lo que la hace indetectable para cualquier telescopio convencional. Sin embargo, sabemos que existe porque podemos medir su gravedad, ese pegamento cósmico invisible que mantiene unidas las galaxias e impide que sus estrellas salgan disparadas al girar alrededor de sus centros. Durante décadas, los físicos han asumido que esta materia misteriosa está compuesta por partículas masivas que interactúan débilmente, conocidas por la sigla WIMP. La búsqueda de estas partículas ha sido una de las empresas más largas y difíciles de la física moderna, sin resultados concretos hasta ahora.

El detector LZ, una colaboración de 250 investigadores de 39 instituciones mundiales, opera enterrado bajo una montaña de roca sólida que lo protege de los rayos cósmicos que bombardean constantemente la superficie terrestre. Dentro de su tanque de titanio contiene diez toneladas de xenón líquido. La estrategia es deceptivamente simple en teoría pero extraordinariamente compleja en la práctica: esperar a que un WIMP atraviese la Tierra y, por pura probabilidad estadística, choque contra el núcleo de un átomo de xenón, produciendo un destello de luz detectable. Durante 220 días de observaciones continuas entre marzo de 2023 y abril de 2024, el sistema registró algo extraordinario.

Lo inusual del evento LZ230616 radica en su energía. Hasta ahora, los científicos buscaban colisiones suaves donde un WIMP golpeaba solo un protón o neutrón del átomo de xenón, produciendo energías por debajo de treinta o cincuenta y cinco kiloelectronvoltios. Hartos de rastrear esa banda sin éxito, los investigadores decidieron cambiar su algoritmo de búsqueda y explorar territorios más energéticos, extendiendo sus redes hasta 270 kiloelectronvoltios. Fue precisamente allí donde apareció el impacto de 248 kiloelectronvoltios. Si fue causado por un WIMP, esto significaría que la partícula de materia oscura golpeó el átomo completo de xenón en una dinámica muy compleja, acoplándose al núcleo entero. Un causante de tal colisión tendría que ser un auténtico peso pesado: una partícula con una masa al menos doscientas veces superior a la de un protón.

Rick Gaitskell, profesor de la Universidad de Brown y portavoz del proyecto LZ, expresó una mezcla calculada de entusiasmo y prudencia. Afirmó estar muy intrigado por el evento, que aparece justo en la región donde esperan encontrar materia oscura y donde el ruido de fondo es muy bajo. Pero aclaró que con un solo evento no querían adelantarse. No afirmaban haber visto materia oscura, aunque sí algo interesante que querían compartir con la comunidad científica. Sam Eriksen, investigador de la Universidad de Bristol y autor principal del trabajo, fue igualmente cauteloso, señalando que necesitaban meses de esfuerzo adicional para comprender todas las posibles causas de eventos de fondo.

En la física de partículas existe un estándar estadístico llamado sigma para determinar la fiabilidad de un hallazgo. El umbral de oro, el nivel que permite declarar un descubrimiento, es cinco sigma, lo que significa que la probabilidad de que una señal sea producida por mera casualidad es de una entre tres punto cinco millones. El evento del LZ se sitúa actualmente en 2.6 sigma, lo que traducido significa que existe apenas un 0.5 por ciento de posibilidades, una entre doscientas, de que este impacto sea simplemente un falso positivo. No es suficiente. Como admitió Gaitskell, en ciencia se realizan tantos experimentos que es frecuente encontrar eventos de una entre cien. Sin embargo, los analistas del LZ han descartado casi por completo a los clásicos impostores: colisiones de neutrinos solares, neutrones que se hayan colado a través de la roca, e incluso rarezas radiológicas propias de los sensores. Nada cuadra mejor con los datos que una partícula nueva.

Aaron Manalaysay, físico de Berkeley Lab y presidente del comité institucional del experimento, señaló que aunque los eventos atípicos en los datos no son inesperados, normalmente destacan como errores de fondo cuando se examinan a fondo. Este es el primer ejemplo en cualquier experimento en el que ha trabajado de un valor atípico que parece válido en todos los sentidos. El futuro se presenta esperanzador. El evento fue registrado tras analizar apenas un tercio de la enorme cantidad de información disponible, lo que significa que podría haber más eventos similares ocultos en los dos tercios que aún faltan por cribar. El equipo planea seguir recopilando datos hasta 2028, rumbo a mil días de observación pura. Si la colisión LZ230616 fue realmente el choque de un WIMP cruzando la Tierra, otros compañeros tendrán que aparecer muy pronto, poniendo fin a una de las cacerías más largas de la física moderna.