Desde la década de 1960, los científicos han teorizado que el Universo está lleno de una masa misteriosa e invisible. Conocida como "materia oscura", se estima que esta masa representa aproximadamente el 85% de la materia en el Universo y una cuarta parte de su densidad de energía. Si bien esta masa se ha observado y estudiado indirectamente, todos los intentos de determinar su verdadera naturaleza han fallado hasta ahora.
Para abordar esto, se están llevando a cabo múltiples experimentos que dependen de instrumentos inmensamente sofisticados. Uno de estos, llamado XENON, observó recientemente un proceso que previamente había evitado múltiples intentos de detección. Estos resultados podrían ayudar a los científicos a mejorar su comprensión de los neutrinos, que algunos científicos creen que es de lo que está hecha la materia oscura.
Los resultados (XENON1T) aparecieron como parte de un estudio que se publicó recientemente en la revista. Naturaleza. XENON es un proyecto experimental conjunto de unos 160 científicos de Europa, Estados Unidos y Oriente Medio. Actualmente está dirigida por la profesora Elena Aprile de la Universidad de Columbia y operada por el Gran Sasso National Laboratory (LNGS) en Italia.
Al igual que otros experimentos con materia oscura, su objetivo es detectar las partículas de materia oscura candidatas conocidas como partículas masivas de interacción débil (WIMPS). Para este propósito, la instalación está ubicada bajo tierra para evitar la interferencia de otras fuentes de neutrinos (que incluyen los neutrinos solares creados regularmente por nuestro Sol y los neutrinos cósmicos).
En el caso del experimento XENON, esto implica observar una cámara llena de líquido Xenon-124 en busca de signos de interacciones de partículas. Estos signos proporcionarían la primera evidencia experimental directa de partículas candidatas de materia oscura. Y aunque su primer conjunto de resultados no confirmó la existencia de materia oscura, sí observó la descomposición de los núcleos atómicos de Xenon-124 por primera vez.
Por varias razones, este fue un logro inmenso. Además de ser una novedad histórica, la vida media medida para Xenon-124 es aproximadamente un billón de veces más larga que la edad del Universo (13.800 millones de años). Esto hace que la desintegración radiactiva que observaron, la llamada captura de doble electrón de Xenon-124, sea el proceso más raro que se haya observado en un detector.
Como explicó el profesor Christian Weinheimer, de la Universidad de Münster, cuyo grupo dirigió el estudio, en un comunicado de prensa de XENON:
"El hecho de que pudimos observar este proceso demuestra directamente cuán poderoso es nuestro método de detección, también para señales que no provienen de la materia oscura".
Para descomponer este proceso, un átomo de Xenon-124 está formado por 54 protones y 70 neutrones que están rodeados por capas atómicas con 54 electrones. En el proceso conocido como doble captura de electrones, dos protones en el núcleo simultáneamente "atrapan" dos electrones de la capa más interna, los transforman en dos neutrones y escupen dos neutrinos.
Los otros electrones luego se reorganizan para llenar el vacío creado en la capa más interna mientras se libera energía en forma de rayos X y lo que se llama "electrones Auger". Sin embargo, estas señales son muy difíciles de detectar ya que el proceso es muy raro y está oculto por la radiactividad natural. Sin embargo, la colaboración de XENON logró hacerlo gracias a un año de observaciones con sus instrumentos.
Los rayos X emitidos como resultado de la doble captura de electrones produjeron una señal de luz en el xenón líquido, así como en los electrones libres. Estos electrones luego se movieron hacia la parte superior llena de gas del detector donde produjeron una segunda señal de luz, y la diferencia de tiempo entre los dos correspondió al tiempo que les toma a los electrones llegar a la parte superior del detector.
El equipo científico utilizó este intervalo y los sensores de la cámara para reconstruir la posición de la doble captura de electrones, mientras que la intensidad de la señal se utilizó para medir la cantidad de energía liberada. Esto proporcionó a los científicos los medios para determinar la vida media increíblemente larga del xenón, que calcularon en 1.8 × 10²² años.
Estos resultados demuestran efectivamente la capacidad de los detectores XENON para detectar procesos raros mientras rechazan las señales de fondo. Los nuevos resultados también podrían permitir nuevas investigaciones sobre los neutrinos, que son las partículas elementales más livianas y aún no se entienden completamente. Estos incluyen la masa del neutrino, que aún no está bien limitada.
Como cristiano
“Demuestra que esta tecnología de detector XENON que utilizamos para la materia oscura es mucho más versátil. Obtenemos todos estos análisis geniales ... gratis después de haber construido un experimento lo suficientemente sensible como para buscar materia oscura ".
La ejecución de observación XENON1T recopiló datos entre 2016 y diciembre de 2018, momento en el que se cerró para realizar actualizaciones. Una vez que estén completos, el equipo científico comenzará a realizar la siguiente fase de observaciones. Conocida como "XENONnT", esta fase contará con una masa de detector activa tres veces mayor que el primer experimento.
Junto con las actualizaciones diseñadas para reducir la interferencia de fondo, el detector tendrá un nivel de sensibilidad varias veces mayor. En este punto, podemos esperar que el experimento arroje una luz aún más brillante sobre las áreas oscuras del Universo.
