El 16 de junio de 2023, 39 segundos después de las 3:22 p.m. y una milla debajo de Black Hills en Dakota del Sur, hubo un repentino destello de luz.
Ocurrió en un tanque oscuro y sellado de líquido extremadamente frío en una caverna donde una vez los mineros extraían oro de las paredes. Captado por las numerosas cámaras del tanque, el flash también envió una carga eléctrica a través de cables finos como un cabello sumergidos en el líquido.
El tanque es la pieza central del experimento LUX-ZEPLIN (LZ), uno de los varios intentos en curso de los físicos para atrapar y estudiar la materia oscura, algo oscuro que sospechan que está en todas partes, pero que de alguna manera parece no encontrarse en ninguna parte. Lo han buscado durante los últimos 40 años colocando detectores en algunos de los espacios más silenciosos y apartados de la Tierra, lugares donde los susurros de la materia oscura podrían registrarse. Pero hasta ahora, todas las veces han resultado vacías, y cada estallido de luz o oleada de electricidad tiene una explicación más ordinaria.
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Este destello de hace tres años es diferente. La carga y la luz juntas parecen indicar una colisión violenta entre una partícula desconocida y el núcleo de uno de los átomos del detector. El evento casi no se parece a ninguno de los “fondos” (fuentes mundanas de destellos que imitan la materia oscura) contra los que los cientos de científicos de la colaboración LZ han pasado sus carreras luchando.
Sin embargo, la colisión tampoco está sincronizada con el tipo de señal de materia oscura que han estado buscando. Es decir, es un misterio total. Pero después de cuatro décadas sin nada, un nuevo misterio es bienvenido.
“He estado esperando un resultado positivo durante, Dios mío, 40 años”, dice Katherine Freese, física teórica de la Universidad de Texas en Austin, cuyo trabajo ayudó a inspirar la búsqueda. “Puedes apostar que estoy muy, muy entusiasmado con los resultados de LZ”.
La colaboración LZ anunció el hallazgo en una presentación hoy en la conferencia TeVPA en Japón. Se ha enviado un documento adjunto a Physical Review Letters. Según las mejores estimaciones del proyecto, las posibilidades de que el destello sea una casualidad estadística son de alrededor del medio por ciento (lo que todavía está muy por encima del umbral del 0,00003 por ciento utilizado por los experimentos de física de partículas para celebrar un descubrimiento).
El universo que vemos cuando miramos al espacio es casi imposible de contemplar sin materia oscura. Lo que nuestros telescopios pueden rastrear se arremolina demasiado rápido y se forma con demasiada rapidez en grupos que son demasiado densos para poder explicarlos fácilmente. De hecho, la explicación más sencilla es que, en comparación con la materia que podemos ver, debe haber cinco veces más materia invisible e inerte, que aún soporta el peso de la gravedad pero no emite luz. Esta materia oscura es ubicua y abundante, pero no tenemos idea de qué está hecha.
Los detectores como LZ se basan en una suposición: que la materia oscura está formada por partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP). Se trata de partículas hipotéticas que casi siempre se deslizan a través de la materia ordinaria como fantasmas. Pero muy raramente deberían interactuar con él, chocando aleatoriamente con un átomo. LZ y sus competidores están compitiendo para empaquetar tantos átomos como sea posible en los lugares más silenciosos que puedan encontrar para captar estas colisiones.
Aún así, los rastros de radiactividad de fondo a veces rompen el silencio subterráneo, y esa actividad atraviesa el kilómetro y medio de lecho rocoso protector de LZ o incluso se filtra a través de los materiales que recubren las paredes del detector. Pero los físicos pueden discernir muchos de estos eventos a partir de sus mejores conjeturas sobre las señales de la materia oscura y tratar de reducir los incidentes tanto como puedan. El hecho de que un solo evento inexplicable pueda tener tanta importancia estadística muestra cuán increíblemente sensible se ha vuelto la tecnología. “Hicimos nuestro medidor para que la aguja saltara cuando viera un evento como este”, dice Knut Morå, físico de la Universidad de Zurich y miembro de la colaboración LZ. “Todo está funcionando según lo previsto”.
La colisión de junio de 2023 cumple con la mayoría de las expectativas WIMPy del equipo, excepto que es demasiado explosiva. Para que LZ encuentre un evento WIMP de tan alta energía, la mayoría de las teorías estándar dicen que ya debería haber visto docenas o cientos de eventos más suaves, lo cual no es así. Entonces, si lo que LZ vio es un WIMP, esta partícula debe ser excepcionalmente extraña: interactuar de una manera ligeramente diferente con la materia normal o haber sido impulsada de alguna manera a una velocidad mayor.
“Dado que no sabemos qué es la materia oscura, no me parece extraño que no sea exactamente lo que esperamos”, dice Hugh Lippincott, profesor asociado de la Universidad de California, Santa Bárbara, y miembro de la colaboración LZ.
Actualmente es imposible decir si esta señal resultará genuina o no. Lo que ya es seguro es que provocará un frenesí de artículos que intentarán explicar cómo los ajustes en varios tipos teóricos de WIMP podrían explicar el misterioso evento de LZ. “Es posible que estén viendo otros tipos de interacciones que son perfectamente razonables”, afirma Freese.
La propia colaboración también recomienda precaución. “No deberíamos sentirnos cómodos afirmando cosas específicas sobre la materia oscura o sobre nueva física basada en un evento”, dice Morå. Además, los científicos del equipo analizaron los datos sin “cegarse” ante ellos, un enfoque para evitar sesgos que se considera el estándar de oro para la física de partículas. (Intentaron un enfoque alternativo llamado “salado”, pero afirmaron que no tuvo éxito).
Afortunadamente, en un futuro próximo deberían llegar más respuestas, basadas en un conjunto más amplio de datos que han sido debidamente cegados. “Se trata de 200 días de datos. En realidad, tenemos más de 700 días ciegos”, afirma Richard Gaitskell, profesor de la Universidad de Brown y coportavoz de LZ. “Eso nos coloca en una posición sólida para estudiar esto”.
Esos datos revelarán que este evento es una anomalía o descubrirán más similares. En el último caso, dos experimentos competitivos, PandaX-4T y XENONnT, ayudarán a determinar si LZ realmente ha visto WIMP o algún trasfondo aún desconocido.
Por ahora, la colaboración LZ está haciendo todo lo posible para gestionar las expectativas. “Tienes esos destellos de, ‘Espera, ¿podría ser esto realmente?’”, dice Morå. “Pero sería perjudicial para el análisis tener esa mentalidad, y no creo que mucha gente lo esté”. Lippincott está de acuerdo, aunque con un guiño hacia lo extraordinario. “Está lejos de cualquiera de los orígenes conocidos”, dice, “por lo que es difícil no sorprenderse”.
La misteriosa colisión llega en un momento peligroso para la carrera de la materia oscura. “Es un buen momento para que la naturaleza nos haga este regalo”, afirma Juan Collar, físico de la Universidad de Chicago, que no forma parte de la colaboración LZ. Los detectores se están volviendo tan grandes y tan sensibles que pronto se verán inundados por otras partículas fantasmales llamadas neutrinos que se generan en el sol y en la atmósfera terrestre. En ese punto, la carrera tendría que cesar, o al menos alejarse de los WIMP y buscar otra presa esquiva.
“Ésta es la última ventana de oportunidad para ver un WIMP; si no está ahí, tendrás que cerrar la tienda en algún momento dentro de los próximos 10 años”, dice Collar. “Este podría ser el comienzo de algo espectacular”.