Un grupo de investigadores ha anunciado la posible detección de axiones, una partícula que podría ser materia oscura. Pero, antes de empezar a celebrarlo, hay que decir que no está ni mucho menos claro. Es un hallazgo muy intrigante, pero ¿qué es lo que ha sucedido? 
Para ponernos en contexto, hay que hablar de XENON1T, el detector más sensible de materia oscura. Sus datos son los que han permitido anunciar ese posible descubrimiento, por un grupo de investigadores internacional. Hay que decir que no aseguran haber encontrado materia oscura.
En su lugar, lo que han observado es un exceso de eventos, cuyo origen no está bien entendido. La firma de ese exceso de eventos es parecida a la del tritio (un átomo de hidrógeno formado por un protón y dos neutrones), pero podría ser indicativo, también, de otras cosas.
Podría tratarse de una nueva partícula, conocida como el axión solar, o indicar alguna propiedad desconocida de los neutrinos. En este caso, sin duda alguna, lo que nos interesa es eso del axión solar. Pero tenemos que hablar primero de la materia oscura y su importancia.
Porque hay que recordar que nuestro universo está compuesto por energía oscura (en un 65-70%), materia oscura (en un 25-30%) y materia normal (o bariónica, o visible) que supone alrededor del 5%. La energía y la materia oscura suponen el 95% del universo:
Dicho de otra manera, hay un 95% del universo que, en realidad, no está muy bien entendido. Sí se sabe qué función desempeña. La energía oscura es la responsable de la aceleración de la expansión del universo, y es lo más abundante del cosmos:
La materia oscura, por su parte, es necesaria para explicar, por ejemplo, cómo se mantiene unida una galaxia. Si solo tuviésemos en cuenta la gravedad de la materia visible, obtendríamos que las galaxias deberían dispersarse; no podrían permanecer unidas:
El problema en todo esto es que la materia oscura no interactúa con el espectro electromagnético, por lo que es extremadamente difícil determinar su naturaleza y estudiarla. A lo largo del tiempo se han planteado muchas partículas como candidatas:
Hasta ahora, las evidencias que se han conseguido son indirectas. Es decir, pistas de que la materia oscura podría estar ahí. Pero no se ha logrado detectar de forma directa. Una de esas posibles candidatas son las llamadas WIMPs (Partículas masivas que interactúan débilmente).
Están entre las principales favoritas. XENON1T ha permitido establecer el mejor límite para su interacción en un amplío rango de masas. O, dicho de otra manera, ha ayudado a establecer en qué condiciones cabría esperar detectar la presencia de una de esas partículas WIMP.
Además, XENON1T es capaz también de detectar nuevos tipos de partículas e interacciones. Podría ayudar a responder algunas de las muchas preguntas que existen en el mundo de la física. Esto nos lleva a un experimento que tuvo lugar el año pasado, porque de ahí viene todo.
El detector se llenó con 3,2 toneladas de xenón licuado ultrapuro. De los que 2 toneladas sirvieron como objetivo para las interacciones de partículas. Cuando una partícula cruza el objetivo puede generar multitud de pequeñas señales de luz, y electrones, desde un átomo de xenón.
La mayor parte de esas interacciones, según explican los investigadores, son el producto de partículas cuya existencia ya es conocida. Por lo que se puede determinar la cantidad de eventos de fondo que se producirán en XENON1T. Aquí es donde viene la sorpresa.
Al comparar los datos de XENON1T con condiciones ya conocidas, descubrieron que había 53 eventos de más, sobre los 232 que esperaban. ¿Cuál es el origen de ese exceso? Una posibilidad era la presencia de pequeñas cantidades de tritio, algo que no habían considerado.
Para evitar confusiones, un exceso de eventos, en este contexto, hace referencia a la detección de una señal, producida en un fenómeno, que no tiene que ver con lo que sea que se está buscando (y en este caso, hubo 53 señales más de lo que se esperaba encontrar).
El tritio es un isótopo radiactivo del hidrógeno. Se deteriora de forma espontánea, emitiendo un electrón con una energía similar a la que se pudo observar en el detector. Además, no haría falta una gran cantidad de átomos de tritio para explicar el exceso observado.
Por ahora, no hay ninguna medición que permita confirmar o desmentir que haya esa cantidad de tritio en el detector. Por lo que no se puede descartar que esa sea la respuesta correcta (ni se puede afirmar). Si fuese así, no estaríamos ante la presencia de materia oscura.
Pero lo más interesante de todo esto es que podría tratarse de la existencia de una nueva partícula. Según los investigadores, ese exceso tiene un espectro de energía que encaja con el que cabría esperar que produjese un axión procedente del Sol:
Un axión es, de forma muy simplificada, una partícula hipotética (es decir, no se sabe si realmente existe), que permitiría explicar un pequeño problema de una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza (la interacción nuclear fuerte, para los curiosos), pero no solo eso.
Lo interesante en toda esta historia, es que los axiones, por sus características, podrían encajar en el tipo de partícula que se consideraría materia oscura. En el caso de un axión solar, nos encontraríamos ante una variedad de axión que no encajaría, pero hay otras.
Además, si realmente se tratase de axiones, sería la primera vez que se habrían detectado. Por lo que se estaría ante una nueva clase de partículas, algo que afectaría a la comprensión de la física y también al mundo de la astrofísica. ¿Cuáles son los que interesarían?
Habría que remontarse al Big Bang. A los axiones que, en teoría, podrían haberse producido durante los primeros momentos del universo. Esos sí podrían considerarse materia oscura. Si bien hay otras explicaciones para el fenómeno observado en XENON1T:
Podría ser el resultado de neutrinos, que tendrían una propiedad que no se conocía hasta el momento. Algo que también sería interesante porque apuntaría a nueva física (es decir, a grandes descubrimientos en el campo de la física, que podrían revolucionar nuestro conocimiento).
De las tres posibilidades (tritio, axiones o neutrinos), los investigadores creen que los axiones solares son lo que mejor encaja con lo observado. Pero no tienen la certeza necesaria para poder afirmarlo. De hecho, el tritio y los neutrinos también permiten explicar ese exceso.
Así que, a decir verdad, estamos en la casilla de salida. Al menos en cuanto a que no parece que se esté más cerca de descubrir qué partícula es la materia oscura. Pero lejos de ser una decepción, es interesante. Si están en lo correcto, hay nueva física esperándonos.
Eso permitiría explicar muchas cosas que ahora mismo no son fáciles de entender. Por ejemplo, podrían ayudar a describir qué sucede más allá del horizonte de sucesos de un agujero negro. Con nuestra comprensión actual, simplemente, no se sabe:
Por lo que, la posibilidad de que realmente sean axiones solares es muy intrigante. Hay que decir, por otro lado, que no es la primera vez que se intenta detectar la presencia de axiones. No hace mucho, de hecho, se buscó su presencia en grandes cúmulos de galaxias.
En este caso sí que hablaríamos de los axiones que, por sus particularidades, encajarían en la materia oscura. Los resultados fueron negativos, pero no en su totalidad. Se descartaron muchas variedades de posibles axiones, porque no se pudo detectar señal alguna de su presencia.
La mayor parte de esos posibles axiones se descartaron, pero no todos. Algo que supuso un contratiempo para la teoría de cuerdas (que intenta unir el mundo de lo muy grande y lo muy pequeño) porque en muchos casos se plantea la presencia de axiones:
Sin embargo, sigue siendo posible que los axiones realmente existan, esa búsqueda no permitió descartar todas las variantes posibles. Si lo juntamos a esta posible detección de axiones procedentes del Sol, podría parecer que hay motivos para la esperanza. Quizá estén ahí…
En cualquier caso, si te pica la curiosidad, el estudio es E. Aprile, J. Aalbers et al.; "Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T". Puede consultarse en este enlace:
science.purdue.edu/xenon1t/wp-con…
science.purdue.edu/xenon1t/wp-con…
Veremos qué sucede en el futuro. No cabe duda de que la búsqueda de la partícula que podría ser la materia oscura va a seguir adelante. La búsqueda de axiones también. Quizá resulten ser la misma cosa, o quizá no… ¡Pero eso es algo que podría descubrirse en los próximos años!
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