Científicos de la colaboración internacional XENON, un grupo experimental internacional que incluye el Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU), Universidad de Tokio; el Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos (ICRR), Universidad de Tokio; el Instituto de Investigación Ambiental Espacio-Tierra (ISEE), Universidad de Nagoya; el Instituto Kobayashi-Maskawa para el Origen de las Partículas y el Universo (KMI), Universidad de Nagoya; y la Escuela de Graduados en Ciencias, Universidad de Kobe, anunció hoy que los datos de su XENON1T, el experimento de materia oscura más sensible del mundo, muestran un sorprendente exceso de eventos. Los científicos no afirman haber encontrado materia oscura. En lugar de, han observado una tasa inesperada de eventos, cuya fuente aún no se comprende completamente. La firma del exceso es similar a lo que podría resultar de una pequeña cantidad residual de tritio (un átomo de hidrógeno con un protón y dos neutrones), pero también podría ser un signo de algo más emocionante, como la existencia de una nueva partícula conocida como axión solar o la indicación de propiedades previamente desconocidas de los neutrinos.

XENON1T se operó a gran profundidad en el INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Italia, de 2016 a 2018. Fue diseñado principalmente para detectar materia oscura, que constituye el 85% de la materia del universo. Hasta aquí, los científicos solo han observado evidencia indirecta de materia oscura, y un definitivo, La detección directa aún no se ha realizado. Los llamados WIMP (partículas masivas de interacción débil) se encuentran entre los candidatos teóricamente preferidos, y XENON1T hasta ahora ha establecido el mejor límite en su probabilidad de interacción en una amplia gama de masas WIMP. Además de la materia oscura WIMP, XENON1T también era sensible a diferentes tipos de nuevas partículas e interacciones que podrían explicar otras cuestiones abiertas en física. El año pasado, usando el mismo detector, estos científicos publicaron en Naturaleza la observación de la desintegración nuclear más rara jamás medida directamente.

El detector XENON1T se llenó con 3,2 toneladas de xenón licuado ultrapuro, 2,0 t de las cuales sirvieron como objetivo para las interacciones de las partículas. Cuando una partícula cruza el objetivo, puede generar pequeñas señales de luz y electrones libres de un átomo de xenón. La mayoría de estas interacciones se producen a partir de partículas que se sabe que existen. Por lo tanto, los científicos estimaron cuidadosamente el número de eventos de fondo en XENON1T. Cuando se compararon los datos de XENON1T con antecedentes conocidos, Se observó un sorprendente exceso de 53 eventos sobre los 232 eventos esperados.

Esto plantea la interesante pregunta:¿De dónde viene este exceso?

Una explicación podría ser nueva fuente de antecedentes previamente no considerada, causado por la presencia de pequeñas cantidades de tritio en el detector XENON1T. Tritio un isótopo radiactivo de hidrógeno, Se desintegra espontáneamente al emitir un electrón con una energía similar a la observada. Solo unos pocos átomos de tritio por cada 10 ²⁵ (10, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000!) Se necesitarían átomos de xenón para explicar el exceso. En la actualidad, no existen mediciones independientes que puedan confirmar o refutar la presencia de tritio en ese nivel en el detector, por lo que aún no es posible una respuesta definitiva a esta explicación.

Más emocionante, otra explicación podría ser la existencia de una nueva partícula. De hecho, el exceso observado tiene un espectro de energía similar al esperado de los axiones producidos en el Sol. Los axiones son partículas hipotéticas que se propusieron para preservar una simetría de inversión en el tiempo de la fuerza nuclear, y el sol puede ser una fuente importante de ellos. Si bien estos axiones solares no son candidatos a materia oscura, su detección marcaría la primera observación de una clase de nuevas partículas bien motivada pero nunca observada, con un gran impacto en nuestra comprensión de la física fundamental, pero también sobre fenómenos astrofísicos. Es más, Los axiones producidos en el universo temprano también podrían ser la fuente de materia oscura.

Alternativamente, el exceso también podría deberse a neutrinos, billones de los cuales pasan por tu cuerpo, sin obstáculos cada segundo. Una explicación podría ser que el momento magnético (una propiedad de todas las partículas) de los neutrinos es mayor que su valor en el modelo estándar de partículas elementales. Este sería un fuerte indicio de alguna otra física nueva necesaria para explicarlo.

De las tres explicaciones consideradas por la colaboración XENON, el exceso observado es más consistente con una señal de axión solar. En términos estadísticos, la hipótesis del axión solar tiene un significado de 3,5 sigma, lo que significa que hay alrededor de 2/10, 000 de que el exceso observado se deba a una fluctuación aleatoria más que a una señal. Si bien esta importancia es bastante alta, no es lo suficientemente grande para concluir que existen axiones. El significado de las hipótesis de momento magnético de tritio y neutrino corresponde a 3.2 sigma, lo que significa que también son consistentes con los datos.

XENON1T ahora se está actualizando a su siguiente fase, XENONnT, con una masa de xenón activo tres veces mayor y un fondo que se espera sea más bajo que el de XENON1T. Con mejores datos de XENONnT, la colaboración de XENON confía en que pronto descubrirá si este exceso es una mera casualidad estadística, un contaminante de fondo, o algo mucho más emocionante:una nueva partícula o interacción que va más allá de la física conocida.