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Anomalía estadística en experimento Italiano podría ser por la detección de una partícula de materia oscura (AXION)

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El Marquez del Foraze
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Esta información fue publicada el día 22 de Junio este año, no obstante, como los periodistas en su masa no son muy rigurosos en la publicación de notas de este tenor lo titularon "Detectada una posible partícula de materia oscura" lo cual es a todas luces un abuso de título, bien explicaremos lo que se ha detectado, ya que es muy interesante y puede tener gran repercución en el modelo estándar y en la física cosmológica en caso de ser confirmado, como algunos usuarios me han pedido que estos temas sean explicado de forma más amigables lo haremos en dos niveles, el primero con la nota publicada en el diario el pais de Espña, para que lo comprendan los votantes del apruebo y en el segundo titulo el articulo explicado más en profundidad para la elite.

I. Descripción general

Detectada una posible partícula de materia oscura
El experimento más sensible en su clase capta indicios del axión, un pariente del fotón que podría explicar de qué está hecho el 27% del universo



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Unas señales captadas en uno de los mayores laboratorios subterráneos del mundo podrían ser la primera observación de materia oscura, el misterioso componente que supone el 27% de todo el universo.


La materia oscura es una de las mayores incógnitas de la física. Sin su empuje gravitatorio las galaxias se desmenuzarían y no podrían existir. Aunque en teoría es seis veces más abundante que la materia convencional de la que está hecho el mundo visible, nunca ha sido observada. En conjunto, los humanos solo sabemos de qué está hecho el 5% de todo el universo —materia convencional—. El resto es materia oscura (27%) y energía oscura (68%) totalmente desconocidas.

Los nuevos datos provienen de un enorme tanque con más de tres toneladas de gas xenón construido bajo 1.400 metros de pura roca en el macizo montañoso del Gran Sasso, en Italia. Este aislante es perfecto para amortiguar el bombardeo natural de partículas que recibe la Tierra y que podrían causar interferencias con los átomos de xenón, un gas noble que enfriado a temperaturas de casi 100 grados bajo cero es muy adecuado para detectar fenómenos físicos muy poco frecuentes.

Este experimento llamado XENON1T es el más preciso en su clase. Sus responsables acaban de anunciar que han captado decenas de señales que podrían ser axiones: una partícula teórica de masa pequeñísima que podría ser el componente básico de la materia oscura. Se piensa que la materia oscura está hecha de partículas que interactúan de forma muy débil con las convencionales. Si una partícula de materia oscura entrase en el tanque y chocase con un átomo de xenón, se emitiría un electrón produciendo un destello de luz y liberando una pequeña cantidad de energía que captarían los detectores del experimento.

Hay fenómenos más mundanos como la radiactividad natural o los rayos cósmicos que pueden producir esta misma señal. Los científicos han calculado cuántos de estos eventos sin interés deberían haberse producido en el tiempo de observación: desde 2016 hasta el año pasado. Los resultados muestran que eran de esperar 232, pero se detectaron 53 más.


Justo después del Big Bang, hace 13.700 millones de años, se pudieron producir una gran cantidad de axiones que hoy seguirían presentes
Los responsables del experimento creen que esas señales redundantes pueden ser axiones producidos por el Sol. En sí estas partículas solares no serían materia oscura, pero demostrarían por primera vez la existencia de esta partícula.

Justo después del Big Bang, hace 13.700 millones de años, se pudieron producir una gran cantidad de axiones que hoy seguirían presentes, explica Igor García Irastorza, investigador del laboratorio europeo de física de partículas CERN. “En teoría el Big Bang pudo producir suficientes axiones como para componer toda la materia oscura existente. Se trata de partículas muy estables, por lo que hay muy baja probabilidad de que se desintegren y esto permitiría detectarlos aún”, explica. Es curioso que la única partícula conocida más ligera que un axión de posible materia oscura es el fotón, la partícula de la luz, resalta el investigador.

A pesar del interés, “hay que tomar estos resultados con mucha cautela”, advierte García. “Las señales son muy débiles y están muy cercana al límite de detección del experimento, de modo que es imposible saber qué es ruido de fondo y qué es señal”, explica. Por otro lado, el tipo de axiones que se habrían cazado en Italia “violarían varias predicciones teóricas sobre astrofísica que se consideran muy sólidas”, advierte García.

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El tanque del experimento XENON1T a la derecha y el edificio de tres pisos con los instrumentos auxiliares para la detección de señales a la derecha.


Hay una explicación menos exótica para estos mismos resultados: que en el tanque hubiese tan solo unos pocos átomos de tritio, un isótopo del hidrógeno que al decaer produciría los electrones observados. Según el estudio preliminar del equipo de XENON1T la explicación más probable estadísticamente es la de los axiones solares, pero seguida muy de cerca por la del tritio. Hay una tercera posibilidad: que la señal sean neutrinos con propiedades magnéticas no observadas hasta ahora.

El experimento italiano fue diseñado para detectar otro candidato a materia oscura: los WIMPS, o partículas masivas de interacción débil que son millones de veces más pesadas que el axión. A pesar de ser las favoritas a explicar esta parte del universo oscuro, después de años de experimentos ni XENON ni otros experimentos han conseguido detectarlas de forma concluyente.

“El segundo gran favorito para ser materia oscura son los axiones y desde hace 15 años mucha gente se ha volcado en su búsqueda, en parte debido a las decepciones de la búsqueda de WIMPS”, explica Javier Redondo, físico teórico de la Universidad de Zaragoza. La existencia de los axiones se teorizó en los años setenta para explicar otro fenómeno de física de partículas y ya en los ochenta se vio que también podía explicar el problema de la materia oscura. “Es posible que lo que han descubierto sea algún tipo extraño de materia oscura, pero es más probable que se deba a un proceso dentro de su detector [una fuente de ruido] que no habían detectado hasta ahora”, opina.

“Después de un resultado tan interesante arranca una labor de detectives para intentar explicarlo”, resume Juan José Gómez-Cadenas, físico de partículas que lidera el experimento NEXT construido bajo tierra en el Laboratorio Nacional de Canfranc, en Huesca. “Lo primero que va a pasar es que los dos grandes experimentos equiparables a este, LUX en EE UU y PandaX en China, se van a volcar en captar esta señal o demostrar que es falsa. Nosotros en NEXT también podemos buscarla a partir del próximo año”, explica. Un poco más adelante se sumarán instrumentos nuevos como IAXO, del que García Irastorza es portavoz y que es un telescopio axiones que tiene previsto empezar a funcionar en Hamburgo (Alemania) en 2023. “Probablemente gracias a todos estos experimentos seamos capaces de contrastar este resultado y entender qué está pasando”, concluye Gómez-Cadenas.

En esta carrera también va a estar XENON. “El detector se está ampliado para albergar hasta seis toneladas de gas, lo que permitiría detectar muchas más señales si es que siguen ahí”, explica Sonja Orrigo, investigadora del Instituto de Física Corpuscular de Valencia que trabajó en este experimento durante seis años. “Los primeros resultados de esta versión mejorada podrían llegar en dos o tres años”, explica.

Explicación por el amigo Santaolaya



II. Descripción del experimento

XENON1T observa un exceso a 3.5 sigmas para energías de retroceso entre 1 y 7 keV de origen desconocido

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Hoy, el doctorando Evan Shockley (Univ. Chicago, EEUU) ha presentado en un seminario los últimos resultados del experimento italiano XENON1T, que lidera la doctora Elena Aprile (Univ. Columbia, EEUU). Se han analizado los datos con muy baja energía de retroceso, entre 1 y 30 keV. Se han observado 285 sucesos con energía entre 1 y 7 keV, cuando se esperaban 232 ± 15 sucesos; este exceso de 53 sucesos, que equivale a unas 3.5 sigmas, aún no tiene explicación. Tampoco tiene explicación un defecto observado a unos 17.5 keV a unas 4 sigmas. Se ofrecen tres explicaciones posibles: contaminación por tritio, la existencia de axiones solares y un posible momento magnético del neutrino (si fuera un fermión de Majorana). En mi opinión, no hay duda posible, todo apunta a la contaminación por tritio. Sin embargo, a algunos físicos les están haciendo palmas las orejas; sugieren que se ha descubierto física más allá del modelo estándar. Pido perdón a los optimistas, pero creo que se trata de una falsa alarma.

Te recuerdo que el experimento XENON1T está diseñado para buscar partículas WIMP candidatas a explicar la materia oscura con una masa entre 6 GeV/c² y 1 TeV/c². Para ello se estudian sucesos con energías de retroceso entre 1 y 100 keV, siendo la sensibilidad óptima por encima de 20 keV. En dicha región no se observó ningún exceso en las búsquedas de partículas WIMP con los datos recopilados entre 2016 y 2018. Ahora se publica una búsqueda con los mismos datos en la región de energías de retroceso por debajo de 20 keV; ha sido posible gracias a una nueva estimación de la sensibilidad en dicha región, que la mejora hasta en un factor de cuatro por encima de 2 keV. En mi opinión, era de esperar la aparición de excesos y defectos. Hasta que no se acumulen más datos y se repita el análisis, debemos tomar con mucho escepticismo cualquier interpretación del exceso que implique la existencia de nueva física más allá del modelo estándar.

Los fiascos de OPERA, BICEP2 y el exceso de dibosones en el ATLAS y CMS requieren una postura escéptica respecto a este nuevo resultado. El artículo (que aparecerá mañana en arXiv) es XENON Collaboration, «Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T,» preprint [PDF] (17 Jun 2020). Más información en Rafael Lang, «Observation of Excess Events in the XENON1T Dark Matter Experiment,» Press Release, XENON1T, 17 Jun 2020; Adam Falkowski (Jester), «Hail the XENON excess,» Résonaances, 17 Jun 2020; Natalie Wolchover, «Dark Matter Experiment Finds Unexplained Signal,» Quanta Magazine, 17 Jun 2020; Luboš Motl, «XENON1T: our excess is due to tritium junk, axions, or magnetic neutrinos,» The Reference Frame, 17 Jun 2020; entre otras.

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El detector XENON1T, situado en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, Italia, usa un tanque relleno de 3.2 toneladas de xenón licuado ultrapuro, de los que 2.0 toneladas se usan para la detección de partículas. Cuando una partícula WIMP choca con un núcleo de xenón produce una energía de retroceso que se detecta por la luz emitida por los electrones que lo rodean. Se usa una detección por coincidencia en la que los fotomultiplicadores colocados encima y debajo del tanque deben recibir una señal con un pequeño desfase (debido a que la distancia entre el punto de colisión y el fondo o el techo pueden ser diferentes). El xenón ultrapuro contiene impurezas, lo que puede llevar a falsos positivos. El conocimiento del instrumento durante la toma de datos permite estimar con precisión el fondo de ruido que introducen en el instrumento.

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Ya te he comentado que, en mi opinión, el exceso observado es un artefacto debido a una estimación incorrecta del ruido de fondo combinado con el análisis en una región donde la sensibilidad es pobre. Sin embargo, bajo la hipótesis de que dicho exceso sea real, el nuevo artículo propone tres explicaciones. La más convincente en mi opinión, es la contaminación por tritio. No se ha considerado su presencia en la estimación del ruido de fondo, pero unos pocos átomos de tritio por cada 10²⁵ átomos de xenón sería suficiente para explicar el exceso, como muestra esta figura. Así que el exceso bien podría ser una prueba de que hay que tener en cuenta el tritio en el análisis del ruido de fondo.

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Por supuesto, seguro que prefieres explicaciones más exóticas, como la existencia de axiones solares. Los axiones están acoplados a los fotones, así la mayor fuente de fotones que conocemos, el Sol, debería ser también una fuente de axiones (llamados solares). La temperatura del núcleo del Sol es de unos quince millones de kelvin, o sea, unos 1.3 keV; como el exceso está entre 1 y 7 keV, parece razonable recurrir a los axiones solares. Obviamente, estos axiones (estelares) son insuficientes para explicar la materia oscura, y su existencia afectaría a la física de las enanas blancas lo suficiente como para descartarlos; aún así, implicaría que en los primeros instantes del universo se pudieron producir suficientes axiones como para explicar toda la materia oscura del universo. El problema es que la explicación del exceso observado con axiones es menos convincente que con tritio.

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La tercera explicación del exceso podría ser que los neutrinos tienen momento magnético gigante (unos ocho órdenes de magnitud mayor que el que predice el modelo estándar). Esta posibilidad me parece poco razonable porque se requiere un valor que está justo en el borde los límites de exclusión actuales (parece una casualidad muy improbable). En su caso exigiría que existiera nueva física por debajo de unos 100 TeV, que quizás también podría explicar las anomalías leptónicas asociadas a los mesones B.

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Por supuesto, la explicación del exceso (si se confirmase) podría ser una combinación de las anteriores, o incluso algo completamente diferente, como un fotón oscuro; recuerda que una partícula de espín uno con masa (fotón oscuro) daría una señal de retroceso similar a la de una partícula de espín cero (axión o partícula tipo axión, ALP). Esta figura muestra los nuevos límites de exclusión para ambas posibilidades obtenidos tras el nuevo resultado de XENON1T. Pero seguro que los físicos teóricos propondrán decenas de otras posibilidades en los próximos meses.

@Ultrabored tu querías saber más de materia oscura
 
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