“Podríamos haber descubierto una nueva partícula, pero hay más hipótesis”

A mediados de junio los científicos que trabajan en el experimento XENON1T anunciaron en un artículo preliminar y un webinar la observación de un “exceso de eventos” en los datos, que algunos medios interpretaron como una posible detección de materia oscura, esa misteriosa sustancia que compone el 27 % del universo.

Uno de los autores de este estudio es el físico español Diego Ramírez García (Valencia, 1990), actualmente investigador en la Universidad de Friburgo (Alemania), que nos contextualiza y explica el verdadero alcance de lo que han descubierto.

¿Qué es el experimento XENON?

Su principal objetivo es detectar partículas WIMP (weakly interacting massive particles), uno de los candidatos más prometedores para explicar de qué está hecha la materia oscura del universo. De momento no las hemos encontrado, pero no dejamos de avanzar. Para ello, usamos cámaras rellenas de xenón líquido, a temperaturas de aproximadamente 100 °C bajo cero, en el laboratorio subterráneo de Gran Sasso, en Italia. La primera generación de detectores fue XENON10, luego siguió XENON100 y recientemente publicamos los resultados de XENON1T, que estuvo tomando datos entre 2016 y 2018. Lo que tratamos de detectar es el ‘choque’ (técnicamente ‘energía de retroceso’) de una partícula contra los núcleos de xenón, registrando el evento con la ayuda de 248 fotomultiplicadores.

¿Y qué es lo que habéis descubierto ahora?

Se trata de una de nuestras investigaciones alternativas a la detección de WIMP, planteada, no para ver el retroceso nuclear, sino el electrónico. Es decir, registrar lo que ocurre cuando una partícula choca con los electrones del átomo de xenón (no contra su núcleo). Para ello se crea un modelo con la radiación de fondo y se predicen todos los eventos que esperas observar.

¿Y habéis encontrado algo que se sale de las predicciones?

Efectivamente, es lo que hemos publicado en un preprint [estudio en revisión]. Te lo explico con estos dos gráficos. Observa el de la izquierda: la línea roja representa la suma de toda la radiación esperada en el detector proveniente de las fuentes de fondo conocidas, incluyendo las diminutas ‘impurezas’ en el propio xenón, y como puedes ver, coincide con lo observado (puntos negros). Pero si justo a la izquierda del todo hacemos un zoom para energías de retroceso entre 0 y 30 kiloelectronvoltios (keV), llegamos a la figura de la derecha, y es ahí donde encontramos el exceso a bajas energías (por debajo de los 7 keV). Esperábamos 232 ± 15 eventos de retroceso electrónico y hemos observado 285. 

Gráfica de la radiación esperada en el detector y zoom a bajas energías. / Colaboración XENON

En el estudio intentamos explicar este exceso con tres posibles hipótesis: la adición de un componente de radiación de fondo o ‘contaminación’ que no habíamos tenido en cuenta hasta ahora, o bien dos explicaciones alternativas que implican que estamos ante algo nuevo que va más allá del modelo estándar de la física de partículas: interacciones con neutrinos o con axiones, partículas desconocidas hasta ahora.

Comencemos por la primera hipótesis, la explicación más ‘mundana’: una contaminación...

Sería una ‘contaminación’ por tritio, un isótopo radiactivo de hidrógeno que se descompone espontáneamente emitiendo un electrón con una energía similar a la que hemos observado. Solo se necesitarían unos pocos átomos de tritio por cada 10²⁵ átomos de xenón para explicar el exceso. Sería un nuevo componente de radiación de fondo a considerar, pero actualmente no hay mediciones que puedan confirmar o refutar la presencia de tritio a ese nivel. La viabilidad de tritio como responsable de este exceso presenta una significación estadística de 3,2-sigma (dentro de una escala donde 5-sigma se considera un verdadero descubrimiento).

Diego Ramírez en el laboratorio de Friburgo, fijando unas conexiones en un prototipo de cámara de xenón. / Foto cortesía del entrevistado

Vamos con la segunda hipótesis: la de los neutrinos....

El exceso también podría deberse a esas partículas, que pasan a trillones a través de tu cuerpo cada segundo. Una explicación podría ser que el momento magnético de los neutrinos fuera mayor que su valor en el modelo estándar, por lo que se necesitaría nueva física para explicarlo. Esta posibilidad también tiene una significancia de 3,2 sigma, ignorando las otras hipótesis, pero ese valor decrece hasta un 0,9 sigma cuando evaluamos esta contribución junto a la hipótesis del tritio. Además, surge otro problema: el momento magnético derivado a partir de este exceso entraría en tensión con los límites sobre los neutrinos obtenidos en diversas observaciones astrofísicas, de clúster globulares y enanas blancas, por ejemplo.

Y por fin, la hipótesis más emocionante: la de los axiones...

Sí, es la hipótesis más excitante y tendría que ver con la detección de energía de retroceso por interacción con axiones, una partícula teorizada hace más de 30 años para resolver uno de los problemas fundamentales de la física de partículas: el problema CP fuerte. Sería largo de explicar, pero tiene que ver con física cuántica, la interacción fuerte y la ruptura de la llamada simetría de carga y paridad (CP). Los axiones podrían preservar esa simetría.

El caso es que el exceso que hemos visto tiene un espectro de energía parecido al esperado de axiones producidos en el Sol. En el modelo de axiones, estas partículas podrían ser producidas en nuestra estrella y llegarían hasta el detector gracias a su interacción extremadamente débil, donde se podrían observar mediante un efecto llamado axioeléctrico: la emisión de un electrón tras el choque con los electrones del átomo de xenón.

Esquema de la interacción con axiones solares. / Laura Baudis, Universidad de Zúrich

Si asumimos que el exceso se debe a esta interacción, obtenemos una significación incluso mayor que para la hipótesis de tritio: 3,5 sigma; es decir, existe una posibilidad de 0,02 % de que el resultado no se explique con esta hipótesis, sino únicamente por fluctuaciones en la radiación de fondo. Este escenario es válido considerando que el tritio no contribuye al exceso. Si lo añadimos, esta significación baja  a 2,1 sigma, aunque sigue siendo la más viable de entre los supuestos. Esta hipótesis también entraría en ligero conflicto con algunas mediciones astrofísicas.

¿Y esto puede tener que ver con la materia oscura?

Aunque estos axiones solares no sean candidatos para la materia oscura, su detección marcaría la primera observación de esta clase de partículas nuevas, con un gran impacto en nuestra comprensión de la física fundamental y los fenómenos astrofísicos. Otro tipo de axiones, los producidos en el universo primitivo, podrían ser la fuente de materia oscura. Son también candidatos para explicar la materia oscura, pero ojo, los WIMP no están en absoluto descartados. De hecho, los dos, WIMP y axiones, no se cancelan automáticamente si el otro es observado, al menos con las hipótesis barajadas en este estudio.

Dos momentos de la construcción del detector XENON1T e interior del tanque. / Colaboración XENON

¿Qué acogida ha tenido vuestro estudio entre los colegas?

Hemos recibido muchísimas réplicas, como puedes ver en plataformas como iNSPIRE (más de 80 preprints en solo un mes). Algunos son escépticos en cuanto a las hipótesis que involucran nuevas partículas o propiedades, y otros cuestionan nuestra precisión para evaluar energías de retroceso tan reducidas, así que estamos preparando respuestas detalladas.

Somos cautelosos en cuanto a los resultados, que son muy excitantes, pero cuya significancia no alcanza el nivel de certeza absoluta. Podríamos haber descubierto una partícula buscada desde hace décadas, pero no hay que olvidar las otras hipótesis. Nosotros hemos testeado tres, pero ahora mismo ya hay muchas sobre la mesa, aunque la mayoría no encajen como lo hacen los axiones.

¿Qué pasos hay que dar ahora para confirmar cuál de la hipótesis correcta?

Por nuestra parte, el paso más importante para resolver esta incógnita pasa por nuestro próximo detector: XENONnT, cuyo alto potencial para detectar WIMP lo detallamos justamente esta semana en un nuevo paper. Este detector hereda mucha de la infraestructura de XENON1T pero triplicará su capacidad (se pasa de 3,2 toneladas a 8,4 toneladas de xenón líquido) y se mejora la reducción de la radiación de fondo. Ya está instalado en el laboratorio y empezará a tomar datos este mismo año. Una vez concluyan los test y la puesta a punto, calculamos que, con unos pocos meses de toma de datos con XENONnT, seremos capaces de resolver si el exceso que hemos medido con XENON1T viene de contaminación del detector ¡o estamos ante algo nuevo!

Foto de la colaboración XENON tomada en diciembre de 2019 sobre el laboratorio subterráneo de Gran Sasso, en Italia. / Colaboración XENON