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; Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos (ICRR), Universidad de Tokio; el Instituto de Investigación Ambiental Tierra-Espacio (ISEE), Universidad de Nagoya; el Instituto Kobayashi-Maskawa para el origen de partículas y el universo (KMI), Universidad de Nagoya; y la Graduate School of Science, 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 cambio, dicen haber 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 - tales como la existencia de una nueva partícula conocida como el axión solar o la indicación de propiedades previamente desconocidas de los neutrinos.
XENON1T fue operado bajo tierra 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 en el universo. Hasta ahora, los científicos solo han observado evidencia indirecta de materia oscura, y aún no se ha hecho una detección directa definitiva. Los llamados WIMP (partículas masivas que interactúan débilmente) se encuentran entre los candidatos teóricamente preferidos, y XENON1T hasta ahora ha establecido el mejor límite en su probabilidad de interacción en un amplio rango 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 preguntas abiertas en física. El año pasado, usando el mismo detector, estos científicos publicaron en NatureLa observación de la desintegración nuclear más rara jamás medida directamente.
El detector XENON1T se llenó con 3,2 toneladas de xenón licuado ultra puro, 2,0 t de las cuales sirvieron como objetivo para las interacciones de 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 ocurren 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 los antecedentes conocidos, se observó un sorprendente exceso de 53 eventos sobre los 232 eventos esperados.
Esto plantea la pregunta emocionante: ¿de dónde viene este exceso?
Una explicación podría ser una nueva fuente de fondo previamente no considerada, causada por la presencia de pequeñas cantidades de tritio en el detector XENON1T. El tritio, un isótopo radiactivo de hidrógeno, se descompone espontáneamente al emitir un electrón con una energía similar a la observada. Solo se necesitarían unos pocos átomos de tritio por cada 10 25 (¡10,000,000,000,000,000,000,000,000!) Átomos de xenón para explicar el exceso. Actualmente, no hay mediciones independientes que puedan confirmar o refutar la presencia de tritio a 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 de tiempo de la fuerza nuclear, y el Sol puede ser una fuente importante de ellas. Si bien estos axiones solares no son candidatos para la materia oscura, su detección marcaría la primera observación de una clase de partículas nuevas bien motivadas pero nunca observadas, con un gran impacto en nuestra comprensión de la física fundamental, pero también en los fenómenos astrofísicos. Además, los axiones producidos en el universo primitivo también podrían ser la fuente de materia oscura.
Alternativamente, el exceso también podría deberse a neutrinos, trillones de los cuales pasan a través de su cuerpo, sin impedimentos, 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. Esta sería una pista fuerte para 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 axion solar. En términos estadísticos, la hipótesis del axión solar tiene un significado de 3.5 sigma, lo que significa que hay una probabilidad de aproximadamente 2 / 10,000 de que el exceso observado se deba a una fluctuación aleatoria en lugar de una señal. Si bien este significado es bastante alto, no es lo suficientemente grande como para concluir que existen axiones. La importancia 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 próxima fase , XENONnT , con una masa de xenón activa tres veces más grande y un fondo que se espera que 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.
La colaboración de XENON comprende 163 científicos de 28 instituciones en 11 países. Los resultados de esta investigación fueron anunciados durante un seminario en línea para investigadores por la colaboración de XENON el miércoles 17 de junio (16:00, hora de verano de Europa Central; 23:00, hora estándar de Japón).
* Las actividades relacionadas con los experimentos XENON1T y XENONnT del Grupo de Japón están respaldadas por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia y las Subvenciones para la Investigación Científica (KAKENHI) (18H03697, 18KK0082, 19H05802, 19H05805, 19H00675, 19H01920) .
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