Podrían haber encontrado por fin la materia oscura: físicos entusiasmados por los resultados

Físicos detectaron una señal rara que aún no se puede explicar con confianza mediante procesos conocidos. En el detector LUX-ZEPLIN se registró una única colisión con un núcleo de xenón, demasiado energética y inusual para el fondo esperado. Los investigadores no califican el hallazgo como el descubrimiento de la materia oscura, pero una partícula de ese tipo podría dejar una señal similar.

El evento se encontró al reanalizar 220 días de observación. El núcleo de xenón recibió una energía de aproximadamente 248 keV, y la señal tenía el aspecto de un impacto sobre el núcleo, no de la interacción habitual de una radiación gamma o de un electrón. En el trabajo publicado, el equipo LZ señala que para esa región de energías el fondo esperado es extremadamente bajo.

La principal intriga surgió tras comprobar las explicaciones más obvias. Una señal similar podría ser causada por un neutrón rápido, pero ese neutrón probablemente habría dejado huellas adicionales en el detector. El detector no las registró. Los físicos también examinaron la influencia de desintegraciones radiactivas, neutrinos atmosféricos, partículas cósmicas y la superposición aleatoria de señales, pero ninguna de las opciones analizadas explicó el evento de manera satisfactoria.

También despertó sospechas la calibración del detector, que terminó aproximadamente 25 minutos antes del registro de la colisión inusual. La fuente de radiación estaba en el otro lado del aparato, y los datos alrededor del momento del evento no mostraron un aumento de señales similares. Por eso, los investigadores no han encontrado por ahora una relación directa con la calibración.

Sin embargo, un solo evento es insuficiente para hablar del descubrimiento de la materia oscura. Según el modelo escogido, la significación estadística de la señal alcanza 3,4σ, pero tras el ajuste por las múltiples pruebas consideradas se reduce a 2,6σ. Para reconocer un descubrimiento en física de partículas normalmente se exige el nivel de 5σ. Por eso la colaboración LZ subraya con cautela que, por ahora, sólo tienen un candidato inusual.

Resulta especialmente interesante que el modelo más simple de materia oscura no encaja bien con la observación. Si las partículas masivas chocaran elásticamente con los núcleos de xenón de forma regular, LZ debería haber detectado más eventos a energías menores. Esas señales no aparecen.

Por eso los teóricos recurrieron a un escenario más complejo, en el que la partícula cambia su estado interno durante la colisión. Ese dispersión inelástica puede producir un fuerte retroceso del núcleo sin un gran número de colisiones más débiles. En algunos modelos adecuados, la masa de la partícula propuesta supera los 200 GeV/c² y puede situarse alrededor de 1 TeV/c², es decir, ser aproximadamente mil veces la masa del protón.

Tras la publicación del resultado surgieron otros intentos de explicar la anomalía. En uno de los modelos, una partícula pesada de materia oscura al colisionar pasa a un estado más ligero y cede la diferencia de energía al núcleo de xenón. Ese mecanismo sí podría generar una señal de alrededor de 248 keV, pero por ahora sigue siendo sólo una posibilidad teórica.

Existe también una forma de comprobar rápidamente algunas de estas ideas. Si LZ detecta solo las partículas de materia oscura más rápidas, la tasa de colisiones debería variar a lo largo del año debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Para ciertos modelos, los cálculos predicen oscilaciones estacionales superiores al 50%.

Ahora todo depende de nuevos datos. Si LUX-ZEPLIN vuelve a registrar varios impactos de alta energía similares sobre núcleos de xenón, la anomalía aislada se convertirá en un motivo mucho más serio para buscar física desconocida. Si la señal no se repite, las explicaciones más exóticas perderán buena parte de su fuerza.