Físicos estrechan el cerco sobre la esquiva materia oscura
Un detector subterráneo en Dakota del Sur (Estados Unidos) acaba de lograr la búsqueda más precisa jamás realizada de partículas WIMP, candidatas a explicar la misteriosa materia oscura. Aunque no hay señales aún, los físicos han reducido drásticamente el terreno donde este enigma cósmico podría esconderse.
Por Enrique Coperías
El detector externo del experimento LZ de búsqueda de materia oscura. Cortesía: Matt Kapust / Sanford Underground Research Laboratory.
La materia oscura es uno de los grandes enigmas de la ciencia contemporánea. Sabemos que existe porque su huella se percibe en la rotación de las galaxias, en la formación de estructuras cósmicas y en el mapa del fondo cósmico de microondas, esto es, la radiación más antigua del universo, un débil resplandor que quedó cuando el cosmos tenía unos 380.000 años de vida tras el big bang.
Sin embargo, hasta ahora, nadie ha conseguido observar de manera directa las partículas que la componen. Los responsables del experimento LUX-ZEPLIN (LZ), instalado a kilómetro y medio bajo tierra en Dakota del Sur, en Estados Unidos, acaban de publicar sus resultados más recientes y, aunque no ha detectado la ansiada señal, ha logrado establecer los límites más estrictos hasta la fecha sobre cómo podría interactuar la materia oscura con la materia ordinaria.
En la práctica, eso significa que los científicos saben cada vez con mayor precisión dónde no está escondida la materia oscura.
El misterio cósmico de lo invisible
El término materia oscura se utiliza para designar a esa sustancia que constituye alrededor del 85% de la materia del universo, pero que no emite, refleja ni absorbe luz. En otras palabras, es invisible a los telescopios. Su existencia se deduce únicamente por los efectos gravitatorios que ejerce sobre la materia visible. Sin ella, las galaxias se dispersarían como hojas al viento, incapaces de sostener la velocidad de rotación de sus estrellas.
Desde hace décadas, los físicos tratan de identificar qué partículas conforman este componente mayoritario del cosmos. Una de las hipótesis más sólidas es la de los WIMP (sigla en inglés de weakly interacting massive particles; en español, partículas masivas débilmente interactuantes). Se trata de candidatos teóricos que encajan en modelos de física más allá del modelo estándar y que, si existen, deberían chocar de vez en cuando con los núcleos de átomos ordinarios. Detectar esos choques minúsculos es, precisamente, la misión del experimento LZ.
«Aunque siempre esperamos descubrir una nueva partícula, es importante para la física de partículas que podamos establecer límites sobre lo que la materia oscura podría ser en realidad», explica Hugh Lippincott, físico experimental de la Universidad de California en Santa Barbara y miembro de la colaboración, en un comunicado de la UC Santa Barbara.
El técnico del SURF Derek Lucero (izquierda) y el investigador Tomasz Biesiadzinski utilizan luz ultravioleta para detectar posibles partículas de polvo en la cámara de proyección temporal del detector, ya que el polvo puede generar ruido de fondo. Cortesía: Nicolas Angelides / University of Zurich.
El laboratorio subterráneo de Dakota del Sur
El detector LUX-ZEPLIN se encuentra en la Sanford Underground Research Facility, una antigua mina de oro reconvertida en laboratorio. Su localización no es casual: a 1.500 metros bajo la roca, el experimento queda protegido del bombardeo constante de rayos cósmicos que llegan desde el espacio, reduciendo así el ruido de fondo que podría confundir a los investigadores.
En el corazón del LZ se aloja un gigantesco tanque criogénico con siete toneladas de xenón líquido ultrapuro. Cuando una partícula interactúa con los átomos de xenón, el impacto genera destellos de luz ultravioleta y libera electrones. El sistema es capaz de detectar ambas señales —denominadas S1 y S2— y, a partir de ellas, reconstruir la posición, la energía y el tipo de evento.
La clave está en distinguir los choques ordinarios, estos es, los provocados por radiación ambiental o decaimientos naturales, de los choques excepcionales que podrían delatar a un WIMP.
Una exposición sin precedentes de 4,2 toneladas-año
El nuevo análisis combina los primeros sesenta días de toma de datos (publicados en 2022) con 220 días adicionales de funcionamiento, lo que equivale a una exposición total de 4,2 toneladas-año de xenón. Para visualizarlo: es como observar, durante más de nueve meses, a un ejército invisible de partículas atravesando un muro de millones de átomos de xenón.
Durante este tiempo, los científicos han perfeccionado la sensibilidad del detector. Han ajustado campos eléctricos, calibrado con fuentes radiactivas controladas y desarrollado nuevas técnicas para reconocer señales falsas. Una innovación destacada es el llamado radon tag, una estrategia para rastrear los rastros de plomo-214, uno de los principales contaminantes radiactivos presentes en el xenón. Gracias a esta etiqueta, se consigue separar con mayor claridad qué eventos son simple ruido y cuáles merecen ser investigados como posibles candidatos a materia oscura.
«El radón sigue una secuencia particular de desintegraciones, algunas de las cuales podrían confundirse con las WIMP. Una de las cosas que pudimos hacer en esta toma de datos fue vigilar toda la cadena de desintegraciones en el detector para identificar el radón y evitar confundirlo con las WIMP», detalla el investigador Jack Bargemann, de la Universidad de California en Santa Barbara.
Resultados: límites más estrictos sobre los WIMP
El balance de estos casi trescientos días de observación es contundente: no se ha encontrado ninguna evidencia de WIMP en el rango de masas estudiado, que abarca desde 9 gigaelectronvoltios hasta 100 teraelectronvoltios. La ausencia de señal, lejos de ser un fracaso, se traduce en nuevos límites que descartan regiones enteras del espacio de posibilidades.
El resultado más llamativo es que el LZ ha logrado fijar la mejor restricción mundial para la llamada sección eficaz de interacción espín-independiente entre WIMP y núcleos: un valor máximo de 2,2 × 10⁻⁴⁸ cm² para partículas de 40 GeV de masa. En la jerga de la física de partículas, eso significa que, si los WIMP existen en ese rango, su capacidad para chocar con un núcleo de xenón es al menos cuatro veces menor de lo que los experimentos anteriores podían descartar.
También se han explorado interacciones dependientes del espín, que dependen de las propiedades cuánticas de ciertos isótopos de xenón. Aquí, de nuevo, el experimento marca límites entre los más estrictos que existen.
Fantasmas del xenón: cómo distinguir la señal de fondo
Uno de los mayores desafíos de este tipo de experimentos es que el propio xenón alberga procesos radiactivos que pueden disfrazarse como la señal buscada. En este nuevo estudio, los investigadores se han topado con un fenómeno curioso: ciertos decaimientos de doble captura electrónica del isótopo 124Xe producen un patrón que se parece mucho al que generarían los WIMP. Es la primera vez que este efecto se observa con tanta claridad y abre una nueva línea de investigación sobre cómo distinguir mejor entre ambos escenarios.
Este hallazgo ilustra bien la dificultad de la empresa: para detectar un posible impacto de materia oscura, hay que filtrar millones de eventos espurios, comprender hasta el último detalle la física de fondo y aplicar cortes estadísticos de enorme precisión.
«Lo complicado de los neutrones es que también interactúan con los núcleos de xenón, produciendo una señal idéntica a la que esperamos de los WIMP. El detector externo es excelente para detectar neutrones y confirma una detección de WIMP precisamente al no mostrar ninguna respuesta», explica la investigadora Makayla Trask.
Innovaciones en el análisis de datos del LZ
El análisis no se limita a mirar los datos en bruto. Los investigadores han diseñado procedimientos sofisticados, como el salting, que consiste en introducir de manera deliberada señales artificiales en el conjunto de datos para evitar sesgos inconscientes en los analistas. Solo al final del proceso, cuando todos los criterios de selección están fijados, se revela qué eventos eran falsos.
«Estamos empujando la frontera hacia un régimen en el que nadie había buscado materia oscura antes —advierte Scott Haselschwardt, físico de la Universidad de Michigan y coordinador del análisis. Y añade—: Existe una tendencia humana a querer ver patrones en los datos, por eso es realmente importante que, cuando entras en este nuevo régimen, no se cuele ningún sesgo. Si haces un descubrimiento, quieres hacerlo bien».
Además, se han desarrollado modelos computacionales ajustados a los datos de calibración, capaces de simular con exquisito detalle cómo responde el xenón líquido a cada tipo de interacción. El uso de algoritmos estadísticos avanzados permite comparar los datos observados con las predicciones y descartar fluctuaciones que pudieran confundirse con descubrimientos.
Qué significa no encontrar nada en la búsqueda de materia oscura
Puede sonar paradójico, pero en la ciencia experimental, un no resultado es también un resultado valioso. Cada vez que un detector como el LZ descarta una región del espacio de parámetros, obliga a los teóricos a refinar sus hipótesis.
En el caso de los WIMP, la ausencia de señal en las zonas más accesibles empieza a tensar la cuerda: si estas partículas existen, quizá sean aún más esquivas de lo que se pensaba, o tal vez haya que contemplar otras alternativas, como los axiones o las partículas ultraligeras.
De hecho, la llamada ventana de neutrinos se perfila como el próximo límite natural. A medida que los detectores se vuelven más sensibles, empiezan a registrar colisiones provocadas por neutrinos solares, un fondo irreductible que imita en gran medida lo que se esperaría de los WIMP. Llegar a ese umbral significará que la búsqueda de materia oscura directa habrá alcanzado un terreno donde distinguir señal y ruido se convierte en un reto mayúsculo.
La investigadora Alvine Kamaha, ahora profesora en UCLA, recorta cables del conjunto de tubos fotomultiplicadores —los sensores de luz— del detector. Cortesía: Matt Kapust / Sanford Underground Research Laboratory.
Futuro del experimento LUX-ZEPLIN y la carrera internacional
El experimento LUX-ZEPLIN no se detiene aquí. La colaboración planea acumular hasta un millar de datos, lo que multiplicará la sensibilidad y permitirá explorar todavía más allá. Además, el aprendizaje adquirido —desde el control de contaminantes hasta el manejo del xenón— servirá de base para la próxima generación de detectores aún más colosales.
La carrera por atrapar a la materia oscura es global. Experimentos rivales, com el XENONnT, en Italia, y el PandaX-4T, en China, también publican resultados cada vez más restrictivos. Todos ellos utilizan estrategias similares, basadas en grandes volúmenes de xenón líquido, aunque con diferencias técnicas que permiten contrastar hallazgos.
Esta competencia sana garantiza que cualquier futura señal no podrá atribuirse a un error local: deberá reproducirse en varios laboratorios independientes.
Entre la paciencia y la esperanza: el largo camino en la caza de la materia oscura
La historia de la física de partículas está repleta de búsquedas que parecían imposibles hasta que, de pronto, dieron frutos espectaculares. El descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, tras décadas de persecución, es un buen ejemplo. Los físicos que trabajan en materia oscura saben que juegan una partida a largo plazo, en la que la paciencia es tan importante como la tecnología.
Mientras tanto, cada límite establecido por el LZ o por otros experimentos es una pieza más en el rompecabezas cósmico. Nos recuerda que el universo es mucho más extraño de lo que perciben nuestros sentidos y que, a pesar del silencio de los detectores, seguimos avanzando.
«Nuestro experimento también es sensible a sucesos raros con raíces en áreas muy diversas de la física —comenta el investigador Chami Amarasinghe—. Algunos ejemplos son los neutrinos solares, las fascinantes desintegraciones de ciertos isótopos de xenón e incluso otros tipos de materia oscura. Con la intensidad de este resultado a nuestras espaldas, estoy muy emocionada por dedicar más tiempo a estas búsquedas».
Como señalan los autores del estudio, publicado en Physical Review Letters, estos resultados representan «la búsqueda más sensible de WIMP jamás realizada». No es el final del camino, pero sí un paso decisivo en la reducción del territorio donde la materia oscura puede esconderse. Y, en la ciencia, acotar el misterio es la manera más efectiva de acercarse a la verdad.▪️
Información facilitada por la UC Santa Barbara
Fuente: J. Aalbers, D. S. Akerib, A. K. Al Musalhi, F. Alder, C. S. Amarasinghe, A. Ames, T. J. Anderson, N. Angelides, H. M. Araújo et al. Dark Matter Search Results from 4.2 Tonne−Years of Exposure of the LUX-ZEPLIN (LZ) Experiment. Physical Review Letters (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/4dyc-z8zf
