La señal de un sensor subterráneo en un detector de materia oscura de Dakota del Sur despierta el escrutinio de la física

Los físicos que analizan los datos del experimento LUX-ZEPLIN (LZ) —un instrumento subterráneo de ultraalta sensibilidad diseñado para buscar materia oscura— han identificado una señal inesperada en las lecturas de su detector, reavivando el interés en la búsqueda de la masa faltante del universo. Según informó *The Economist*, la inusual firma electrónica se registró el 16 de junio de 2023 en la cámara de xenón líquido del instrumento. Aunque los físicos de partículas enfatizan que la lectura anómala podría explicarse en última instancia por radiación de fondo poco común, ruido del instrumento o fluctuaciones estadísticas en lugar de un descubrimiento histórico, la observación ha atraído un escrutinio inmediato en toda la comunidad física global. Actualmente, los investigadores están sometiendo el suceso a exhaustivos protocolos de validación para determinar si representa una interacción con la materia oscura o una falsa alarma terrestre.

## Key facts - El 16 de junio de 2023, el detector de materia oscura LUX-ZEPLIN (LZ) registró una señal inesperada. - El experimento LZ opera a 4,850 feet de profundidad en el Sanford Underground Research Facility en Lead, South Dakota. - El instrumento utiliza siete toneladas métricas de xenón líquido activo para capturar colisiones raras de partículas. - Se calcula que la materia oscura constituye aproximadamente el 85 por ciento de toda la materia del cosmos, pero nunca ha sido observada directamente. - Los estándares de la física de altas energías requieren un nivel de confianza estadística de cinco desviaciones estándar —un resultado de cinco sigma— para declarar un descubrimiento definitivo.

## What happened La señal en cuestión fue registrada por el detector LUX-ZEPLIN en las profundidades de una caverna que anteriormente albergaba la mina de oro Homestake. El 16 de junio de 2023, los sensores que monitorean la cámara central del LZ registraron una interacción que produjo un destello de luz seguido momentos después por una liberación secundaria de electrones ionizados. En los detectores de materia oscura de xenón líquido, este mecanismo de doble señal permite a los físicos experimentales reconstruir la ubicación tridimensional de un suceso y distinguir entre diferentes interacciones subatómicas.

Cuando una partícula colisiona con el xenón dentro de la cámara central, produce luz ultravioleta primaria detectada por matrices de tubos fotomultiplicadores. Simultáneamente, la colisión libera electrones, los cuales son arrastrados hacia arriba a través del xenón líquido mediante un campo eléctrico hacia una capa gaseosa en la parte superior del contenedor. Al entrar en la fase gaseosa, estos electrones crean una segunda ráfaga de luz mediante electroluminiscencia. La relación entre la ráfaga de luz primaria y la señal electroluminiscente secundaria permite a los científicos diferenciar entre sucesos de fondo ordinarios —como rayos gamma o desintegración beta— y potenciales candidatos a materia oscura.

Según la información publicada por *The Economist*, el suceso registrado a mediados de 2023 produjo una firma electrónica que se destacaba de los modelos de fondo estándar. Para mantener la integridad científica, la colaboración LZ utiliza estrictos protocolos de cegado de datos (data-blinding). Bajo este proceso, los datos recopilados en regiones donde se esperan señales de materia oscura se cifran hasta que se finalizan las estimaciones del fondo. El descegado (unblinding) de los conjuntos de datos da lugar a análisis de alto riesgo en los que los sucesos anómalos se evalúan frente a millones de interacciones de fondo. El suceso del 16 de junio emergió como un punto de intenso interés durante este proceso de revisión, lo que motivó comprobaciones detalladas de los sistemas de alto voltaje, los sensores ópticos y las unidades de estabilización criogénica.

## Why it matters La búsqueda de materia oscura representa uno de los esfuerzos más fundamentales en las ciencias físicas. La astrofísica y la cosmología han establecido que la materia visible —cada estrella, planeta y partícula subatómica descrita por el Modelo Estándar de la física de partículas— representa menos del 15 por ciento de toda la materia del universo. El 85 por ciento restante existe en una forma desconocida que ejerce atracción gravitatoria pero no absorbe, refleja ni emite luz.

Confirmar una interacción física directa entre la materia oscura y los núcleos atómicos transformaría fundamentalmente la comprensión humana de la naturaleza. Proporcionaría la primera evidencia experimental directa más allá del Modelo Estándar, el cual ha regido la física de partículas durante medio siglo pero no logra explicar las anomalías gravitatorias a escalas cósmicas ni la asimetría cósmica entre materia y antimateria.

Además, identificar la masa precisa y las propiedades de interacción de las partículas de materia oscura proporcionaría parámetros empíricos cruciales para la física teórica. Si la señal registrada por el LZ refleja materia oscura genuina, podría validar marcos teóricos como la supersimetría o sugerir la existencia de axiones ligeros, fotones oscuros o neutrinos estériles. Por el contrario, si la investigación revela que la señal es un efecto de fondo inesperado, los hallazgos seguirán aportando conocimientos vitales, lo que permitirá a los científicos perfeccionar los algoritmos de rechazo de fondo y construir detectores futuros más sensibles.

## The background El concepto de materia oscura se originó a principios del siglo XX, cuando los astrónomos notaron discrepancias entre la masa visible de las estructuras cósmicas y la gravedad necesaria para mantenerlas unidas. En 1933, el astrofísico suizo Fritz Zwicky midió las velocidades orbitales de las galaxias en el Cúmulo de Coma y concluyó que el cúmulo contenía sustancialmente más masa no vista que estrellas visibles. En la década de 1970, los astrónomos estadounidenses Vera Rubin y Kent Ford proporcionaron evidencia observacional definitiva al analizar las curvas de rotación de las galaxias espirales, mostrando que las estrellas exteriores rotan a velocidades inesperadas que requieren masivos halos de materia invisible.

Las mediciones cosmológicas modernas, incluidos los mapas del fondo cósmico de microondas realizados por el telescopio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea, confirman que la materia oscura constituye aproximadamente el 26.8 por ciento del presupuesto total de energía y materia del universo. El principal candidato a materia oscura ha sido durante mucho tiempo la partícula masiva de interacción débil (WIMP)—partículas subatómicas hipotéticas creadas en el universo primitivo que interactúan únicamente a través de la gravedad y la fuerza nuclear débil.

Para detectar las WIMP, los científicos experimentales deben blindar los instrumentos de los rayos cósmicos. La colaboración LUX-ZEPLIN fusionó dos experimentos pioneros: el detector Large Underground Xenon (LUX) y el experimento ZEPLIN-III. Ubicado a 4,850 feet bajo Lead, South Dakota, dentro del Sanford Underground Research Facility, el LZ está protegido por casi una milla de roca, lo que atenúa los muones de rayos cósmicos por un factor de millones.

El experimento LZ cuenta con una cámara de proyección central llena con 10 toneladas métricas de xenón líquido ultrapuro, de las cuales siete toneladas sirven como blanco activo. El xenón se elige por su alta densidad y claridad óptica, lo que lo convierte en un blanco ideal para retrocesos nucleares raros. El recipiente central está suspendido dentro de un detector exterior que contiene centellador líquido y está encerrado dentro de un tanque masivo de agua ultrapura para filtrar la radiación de fondo.

Experimentos anteriores de materia oscura han detectado señales intrigantes que requirieron una reevaluación cuidadosa. En 2020, el experimento XENON1T en Italia informó de un exceso de sucesos de retroceso de electrones de baja energía. Sin embargo, análisis posteriores realizados por el experimento actualizado XENONnT indicaron que el exceso fue provocado probablemente por trazas de contaminación por tritio radiactivo o por fuentes de fondo no contabilizadas, en lugar de nueva física.

## Reaction Los hallazgos preliminares del experimento LUX-ZEPLIN han despertado una curiosidad disciplinada y un escepticismo cauteloso entre los físicos de todo el mundo. Mientras que los físicos experimentales dentro de la colaboración LZ mantienen una reserva analítica, los físicos teóricos han comenzado a evaluar posibles modelos de escenarios para determinar qué procesos subatómicos podrían generar dicha firma.

Los físicos ajenos a la colaboración han enfatizado la necesidad de paciencia, recordando casos anteriores en los que las señales experimentales anómalas se desvanecieron tras la adquisición de conjuntos de datos más amplios o la mejora del modelado del fondo. Los expertos de la comunidad señalan que, en las búsquedas sensibles de materia oscura, isótopos radiactivos extremadamente raros —como los productos de desintegración del radón, el criptón-85 o trazas de argón-37— pueden imitar posibles señales de materia oscura a pesar de las técnicas de purificación de última generación.

Investigadores de proyectos competidores de materia oscura, incluida la colaboración XENONnT en los Laboratori Nazionali del Gran Sasso de Italia y el equipo PandaX-4T en el Jinping Underground Laboratory de China, están siguiendo de cerca los avances del LZ. Estos consorcios independientes operan detectores de xenón líquido a escala comparable. Si la señal detectada por el LZ refleja un fenómeno físico real, con el tiempo deberían manifestarse firmas paralelas en los conjuntos de datos de estas instalaciones asociadas a nivel mundial.

## What we don't know yet Aún existen importantes dudas operativas y analíticas con respecto al suceso del 16 de junio de 2023 registrado por el detector LUX-ZEPLIN. Lo más crítico es que los investigadores aún no han confirmado públicamente si la señal representa un retroceso nuclear —la firma clásica esperada de la colisión de un WIMP pesado con un núcleo de xenón— o un retroceso de electrones, lo que podría apuntar a candidatos alternativos como axiones, neutrinos solares o contaminantes de fondo sutiles.

Además, no se ha revelado la significación estadística del suceso registrado. En la física de partículas, la afirmación de un descubrimiento requiere alcanzar un nivel de confianza de cinco sigma, lo que representa una probabilidad inferior a una entre un millón de que una señal sea una fluctuación aleatoria del fondo. Los datos actuales pueden representar una varianza estadística de baja significación en lugar de una tendencia repetible.

Tampoco se sabe si las tandas de observación posteriores, desde 2023 hasta 2026, han producido sucesos adicionales que coincidan con las características de la señal puntual del 16 de junio. Hasta que la colaboración LZ complete el descegado y el modelado estadístico de su conjunto de datos multianual, los científicos no pueden descartar artefactos del instrumental, sucesos de descarga eléctrica o minúsculas trazas de impurezas dentro de la matriz de xenón líquido.

## What to watch En los próximos meses, varios hitos clave aclararán la naturaleza de la señal anómala registrada por el experimento LZ: - La publicación del análisis completo del conjunto de datos multianual del LZ, que presentará gráficos oficiales del espectro de energía, estimaciones de fondo y niveles de confianza estadística. - Los resultados de calibración relativos a trazas de isótopos radiactivos, específicamente corridas orientadas a evaluar la eficiencia de mitigación del radón y el rendimiento de eliminación del criptón dentro de la columna de destilación de xenón. - Los resultados de validación cruzada procedentes de experimentos subterráneos competidores, en particular XENONnT en Italia y PandaX-4T en China, que actualmente están recopilando conjuntos de datos independientes de exposición multitonelada. - La presentación de los hallazgos en las principales conferencias internacionales de física, como la Conferencia Internacional sobre Física de Altas Energías (ICHEP) y la serie de conferencias sobre Materia Oscura, donde los físicos experimentales se someterán a la revisión directa por pares.

Este informe se basa en la cobertura periodística original publicada por *The Economist*.