Detectan una señal extraña en experimento de materia oscura que desconcierta a los científicos

Durante casi un siglo, los científicos han intentado identificar la materia oscura, el material invisible que se cree que representa alrededor del 85% de toda la materia en el universo. Sus efectos gravitacionales son evidentes en todo el cosmos, pero hasta ahora ningún experimento ha detectado directamente esta sustancia. Comprender de qué está compuesta la materia oscura sigue siendo uno de los problemas más importantes y no resueltos de la física moderna.

Recientemente, un análisis del experimento LUX-ZEPLIN (LZ) ha revelado un evento particularmente intrigante. Los investigadores registraron una única interacción de partículas que ha resultado difícil de explicar utilizando señales de fondo conocidas producidas por la materia ordinaria.

A pesar de que este hallazgo no es lo suficientemente fuerte desde el punto de vista estadístico como para calificarlo como un descubrimiento, los investigadores sostienen que representa la señal de materia oscura más prometedora que LZ ha reportado hasta el momento.

Un gran detector a casi un kilómetro bajo tierra

LZ es un proyecto internacional que involucra a 250 científicos e ingenieros de 39 instituciones. El experimento es gestionado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y opera casi a un kilómetro bajo tierra en el Sanford Underground Research Facility en Dakota del Sur.

En el corazón del detector hay 10 toneladas de xenón líquido extremadamente puro. El instrumento fue diseñado principalmente para buscar WIMPs, o partículas masivas que interactúan débilmente, uno de los principales candidatos propuestos para explicar la materia oscura.

Los nuevos resultados se presentaron durante una charla científica en la conferencia de Astrofísica de Partículas TeV 2026 en Japón. El artículo también se publicará en arXiv y se enviará a la revista Physical Review Letters.

"Estamos muy intrigados por ver este evento en los datos, en la región donde esperamos que la materia oscura aparezca y los fondos competidores son muy bajos", comentó Rick Gaitskell, profesor en la Universidad de Brown y portavoz de LZ. "Con solo un evento, no queremos adelantarnos. No estamos afirmando haber visto materia oscura. Pero hemos visto algo interesante que queremos compartir con la comunidad científica para su opinión".

Explorando una nueva parte de los datos

La colaboración de LZ examina sus resultados experimentales en lotes. Para este último estudio, los científicos analizaron 220 días de observaciones recopiladas entre marzo de 2023 y abril de 2024.

Los investigadores habían buscado previamente en el mismo conjunto de datos firmas muy tenues asociadas con las formas más simples de interacciones de WIMP. Esta vez, ampliaron la búsqueda para incluir una variedad más amplia de posibles interacciones de WIMP capaces de depositar mayores cantidades de energía dentro del detector.

LZ es especialmente sensible a eventos de este tipo, mientras que su diseño también ayuda a los científicos a reducir las posibilidades de confundir interacciones ordinarias de partículas con materia oscura.

"Este fue un estudio detallado en una región que no habíamos explorado dentro de este conjunto de datos, y pasamos meses de esfuerzo adicional para entender todas las posibles causas de eventos de fondo", indicó Sam Eriksen, investigador asociado senior en la Universidad de Bristol en el Reino Unido y autor principal del estudio. "Entendemos nuestro detector y los fondos tan bien que incluso un solo evento sobresaliente, como el que encontramos, es importante. Esperamos que los eventos de materia oscura sean extremadamente raros, por lo que solo un puñado podría marcar la primera detección de materia oscura WIMP".

Lo que podría significar el evento misterioso

Si la materia oscura realmente produjo la señal inusual, el WIMP responsable probablemente tendría una masa de al menos 200 GeV/c2 (gigaelectronvolts), lo que lo haría más de 200 veces más masivo que un protón.

Tal resultado también señalaría un tipo particular de interacción entre los WIMPs y la materia ordinaria que va más allá de los modelos más simples considerados típicamente en las búsquedas de materia oscura.

Los científicos se mantienen cautelosos por una razón importante. La física de partículas generalmente requiere que un resultado alcance una significación estadística de "5-sigma" antes de ser considerado un descubrimiento. El nuevo hallazgo de LZ se sitúa actualmente en 2.6 sigma.

Según los investigadores, eso corresponde aproximadamente a un 0.5% de probabilidad de que el evento inusual pudiera ser producido por fuentes de fondo conocidas.

Más observaciones serán cruciales. A medida que LZ recolecte datos adicionales, los científicos podrán ver si la significación estadística del evento aumenta o si la señal aparente eventualmente desaparece.

LZ ya ha reunido el conjunto de datos más grande del mundo para búsquedas de materia oscura y continuará recolectando datos de WIMP en SURF, proporcionando a los investigadores estadísticas mucho más sólidas en el futuro.

Cómo LZ separa la materia oscura del ruido de fondo

El experimento busca materia oscura observando destellos característicos de luz creados cuando las partículas depositan energía dentro del detector.

El desafío es que la materia ordinaria también puede producir interacciones de partículas. Por lo tanto, LZ utiliza varias capas de protección y análisis para identificar estos eventos de fondo y evitar que se confundan con materia oscura.

Su ubicación subterránea proporciona una de las primeras defensas. Casi un kilómetro de roca sobre el experimento bloquea gran parte de la radiación de rayos cósmicos que llegan del espacio. Un tanque de agua circundante y detectores exteriores adicionales ayudan a proteger el detector central de neutrones de fondo.

Los investigadores también utilizan técnicas computacionales sofisticadas para distinguir diferentes tipos de interacciones de partículas y rechazar eventos que imitan las firmas esperadas de materia oscura.

El evento inusual ha atraído una atención particular porque, hasta ahora, no ha revelado los tipos de problemas que los científicos normalmente encuentran cuando investigan un outlier más de cerca.

"Los eventos atípicos en los datos no son inesperados, pero generalmente se destacan como un fondo de algún tipo cuando se los observa más de cerca", afirmó Aaron Manalaysay, físico en el Laboratorio Berkeley y presidente de la Junta Institucional de LZ. "Este es el primer ejemplo en cualquier experimento en el que he trabajado de un outlier que aparece válido en todos los aspectos. Por supuesto, todavía estamos tratando de pensar si hay un mecanismo de fondo raro que podríamos haber pasado por alto, pero es emocionante preguntarse si esto podría ser la primera pista de una observación de materia oscura".

Por ahora, un evento inexplicado no es suficiente para afirmar que la materia oscura ha sido finalmente detectada. Pero dado que la señal apareció en una región donde se podría esperar materia oscura y ha sobrevivido a un escrutinio extenso, los investigadores creen que merece atención cercana a medida que el experimento continúa recolectando datos.

Apoyo internacional para la búsqueda de materia oscura

LZ cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Ciencia, la Oficina de Física de Alta Energía y Nuclear, y el Centro Nacional de Investigación Científica y Computación, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.

El apoyo adicional proviene del Consejo de Ciencia y Tecnología del Reino Unido; la Fundación Portuguesa para la Ciencia y la Tecnología; la Fundación Nacional Suiza de Ciencia; el Centro de Excelencia de Investigación de la Materia Oscura de Australia; y el Instituto para la Ciencia Básica, Corea.

Treinta y nueve instituciones de educación superior e investigación avanzada brindaron apoyo a LZ. La colaboración de LZ también reconoce la asistencia del Sanford Underground Research Facility.