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Un nuevo misterio rodea a la Física

Una reacción inesperada en el agitado mundo de los neutrinos obliga a trascender el Modelo Estándar y nos pone en el umbral de la materia oscura.

En junio pasado, la colaboración XENON, que reúne a 160 científicos de 24 países y 27 instituciones de todo el mundo, anunció algo sorprendente.

Había encontrado en su detector XENON1T una reacción inesperada en los electrones de los átomos del gas xenón, que es incompatible con lo que sabemos del mundo de las partículas elementales.

XENON1T es el detector más sensible del mundo para la búsqueda directa de materia oscura, que constituye más del 80% de la materia del Universo.

Ese detector, situado en Italia, permite reconstruir la posición tridimensional de cada evento físico a partir de las dos señales que genera una partícula al interaccionar con los átomos de xenón.

Cuando XENON presentó nuevos resultados a principios de verano, informó que había observado un exceso inesperado de sucesos de baja energía en la señal derivada de la interacción de los electrones con los átomos de xenón.

La anomalía se detectó al observar el retroceso electrónico (no nuclear) que ocurre cuando una partícula colisiona con los electrones (no el núcleo) del átomo de xenón. Toda una sorpresa.

Según se concluyó entonces, esa anomalía podría ser una indicación de que algo extraño está ocurriendo más allá del Modelo Estándar.

Esta interpretación ha agitado la reflexión sobre la nueva Física que los teóricos de todo el mundo están explorando, según informa un comunicado del  Max-Planck-Institut für Kernphysik: aporta posibles explicaciones a la anomalía detectada por XENON1T.

Cuestión de neutrinos

Según estas explicaciones, los neutrinos pueden tener la clave de la anomalía. Se encuentran entre las partículas más abundantes del universo, pero también son unas de las menos comprendidas.

En el Modelo Estándar, los neutrinos no tienen masa y solo interactúan a través de la interacción débil. Sin embargo, el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, por el cual Takaaki Kajita y Arthur McDonald recibieron el Premio Nobel de Física en 2015, significa que los neutrinos tienen masa.

También que los tres tipos diferentes de neutrinos se mezclan durante la oscilación: es más, antes de ser detectados por un sensor, los neutrinos están simultáneamente en los tres tipos o sabores que les caracterizan.

Esta constatación no cabe en el Modelo Estándar y plantea la necesidad de ampliarlo. Fuera de esos límites, los neutrinos muestran propiedades electromagnéticas que explican la oscilación: en esta propiedad se encuentra concretamente la posible explicación de la anomalía XENON1T.

Momento magnético

Según los investigadores, el exceso de eventos de retroceso de electrones informado por el experimento XENON1T podría interpretarse como indicación de que se produce una considerable potencia magnética cuando ocurre la transición propia de los neutrinos solares.

Los neutrinos solares son los neutrinos que produce el Sol, un gran reactor de fusión nuclear, cada vez que convierte hidrógeno en helio, la reacción que le hace emitir energía.

La transición de estos neutrinos se produce porque, debido a que tienen masa, pueden cambiar de “sabor” en el interior del Sol y convertirse en otro tipo de neutrino.

Los investigadores del MPIK aportan diferentes argumentos para concluir que la enorme potencia magnética (momento magnético) implicada en la transición de los neutrinos solares, puede explicar la anomalía XENON1T.

Más lejos

Añaden que esta constatación predice señales claras de nueva Física que tal vez podrán confirmarse con futuros experimentos a realizar con aceleradores de partículas de baja energía.

Consideran también que el exceso de eventos de baja energía puede interpretarse como una interacción directa de partículas de materia oscura y los neutrinos: serían las que otorgan a los neutrinos su masa.

Incluso van más lejos: una nueva fuerza mediada por una nueva partícula de luz que acopla neutrinos a electrones, podría explicar el exceso de eventos detectado por XENON.

Otros investigadores consideran que el exceso inesperado de sucesos dentro de XENON1T podría ser el resultado de una partícula hipotética que puede ser la base de la materia oscura, el axión, del que se viene hablando desde 1977.

Acertijo sin resolver

Todas estas aportaciones resumen la animada discusión en curso sobre las posibles explicaciones del exceso de señal observado: apuntan a una Nueva Física y señalan que nos aproximamos al umbral de la materia oscura.

También proporcionan una guía útil para las estrategias de búsqueda de respuestas, al mismo tiempo que se diseñan todos los experimentos imaginables para buscar coherencias. Todo este proceso augura novedades revolucionarias en Física.

Manfred Lindner, autor de una de estas propuestas, confía en que el acertijo se resolverá en un futuro próximo: “Mientras tanto, el detector XENON1T se ha actualizado a XENONnT y actualmente se está preparando para registrar una cantidad significativamente mayor de datos con mejor sensibilidad. Esto permitirá varios estudios y pruebas más detalladas”.

 

Referencias

Large neutrino magnetic moments in the light of recent experiments. K. S. Babu et al. Journal of High Energy Physics volume 2020, Article number: 40 (2020). DOI:https://doi.org/10.1007/JHEP10(2020)040

The Neutrino Magnetic Moment Portal: Cosmology, Astrophysics, and Direct Detection. Vedran Brdar, Admir Greljo, Joachim Kopp, and Toby Opferkuch, arXiv:2007.15563

Can nonstandard neutrino interactions explain the XENON1T spectral excess?  N.Khan. Physics Letters B, Volume 809, 10 October 2020, 135782. DOI:https://doi.org/10.1016/j.physletb.2020.135782

Constraints on General Light Mediators from PandaX-II Electron Recoil Data. Amir N. Khan, arXiv:2008.10279

Neutrino Self-Interactions and XENON1T Electron Recoil Excess. Andreas Bally, Sudip Jana, and Andreas Trautner, Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 16, 161802, DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.161802

EFT Interpretation of XENON1T Electron Recoil Excess: Neutrinos and Dark Matter, Giorgio Arcadi et al. arXiv:2007.08500

 

Foto: Casi vemos la materia oscura. NASA

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe, periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

3 comentarios

  • Y SI ES LA MANIFESTACIÓN QUE ESTE UNIVERSO SE ENCUENTRA AL INTERIOR DE UN AGUJERO NEGRO PORQUE HIPOTÉTICAMENTE UNA PARTÍCULA EN EL HORIZONTE DE SUCESOS PUEDE SER DE CARGA POSITIVA SIN EMBARGO LA MISMA PARTÍCULA SI ALGUIEN ESTUVIERA EN EL INTERIOR VERIA LA MISMA PARTÍCULA PERO CON CARGA NEGATIVA