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Posiblemente NO se haya encontrado una partícula de materia oscura

Posiblemente NO se haya encontrado una partícula de materia oscura

Fecha: 2 Julio 2020 00:28

Hace poco se anunció el supuesto descubrimiento de una partícula de materia oscura, pero lo más probable es que sea un error del experimento, y eso está bien.

Los titulares en negativo no son agradecidos, la verdad. Tal vez por eso hayan recorrido los medios afirmaciones contrarias a la que titulan este artículo, diciendo que se ha detectado una posible partícula de materia oscura. Para ser rigurosos, ambos titulares son estrictamente ciertos en cuanto a que, como los científicos no están seguros de lo que han medido, plantean varias posibilidades. Sin embargo, que dos cosas sean posibles no quiere decir que sean igual de probables.

Que la dichosa partícula sea materia oscura no es igual de probable que lo contrario. Y precisamente por eso, porque las apuestas parecen estar en contra de que sea materia oscura, afirmarlo en un titular puede llevar a confusión. Dicho esto, es hora de poner en contexto esta historia, porque ¿de qué estamos hablando?

¿Qué es la materia oscura?

Tal vez, lo primero sea hablar de la materia oscura en sí misma. Todo empezó en 1933, cuando el astrónomo Fritz Zwicky vio algo extraño en el movimiento de una agrupación de galaxias llamadas el Cúmulo Coma. Algo no cuadraba en los cálculos que, teniendo en cuenta la masa de las galaxias, sus distancias y otras características, predecían un comportamiento diferente del que los astrónomos veían. Para justificarlo, Zwicky planteó que tenía que existir un extraño tipo de materia que proporciona masa al cúmulo, pero es incapaz de emitir luz. Dicho de otro modo, materia que no interactuaba con la radiación electromagnética, algo nunca visto.

Se trataba de una hipótesis arriesgada, creada para satisfacer la comunión entre la teoría y lo observado. Sin embargo, no era ni mucho menos la primera vez que se descubría una cosa al ver que faltaba algo para satisfacer a las ecuaciones. Y así fue, porque con el tiempo y el inestimable trabajo de grandes mentes como la de Vera Rubin, pudimos detectar de forma indirecta la existencia de esa materia oscura más allá del Cúmulo Coma. En los años 70, la doctora Rubin había encontrado otra disparidad entre teoría y observación. Sus cálculos no eran capaces de modelizar la traslación de unas estrellas a través de la galaxia a la que pertenecían. Una vez más, la única forma de reconciliar teoría y observación era presuponer que había más materia de la que estaban detectando.

Poco a poco esta idea de materia incapaz de interactuar con la radiación electromagnética (con la luz, dicho de forma burda) ha ido ganando evidencias indirectas. Tras muchas mediciones fuimos asimilando un dato que posiblemente hayas escuchado y que apela a nuestra ignorancia como pocos otros datos en física. Porque esta extraña materia oscura resulta que no es precisamente escasa, sino que representa, aproximadamente, el 27% del universo. La materia ordinaria que nosotros conocemos y que nos forma es apenas el 5% y todo lo demás es, aparentemente, energía oscura, que ni debe confundirse con materia oscura ni nos compete hablar de ella ahora.

Mapa tridimensional de una reconstrucción a gran escala de la materia oscura utilizando ondas gravitatorias./Foto: anónimo/Creative commons

En cualquier caso, a pesar de todas estas pruebas indirectas de la existencia de una materia extraña, frecuente e incapaz de interactuar con la luz, seguimos sin saber qué es exactamente, porque no hemos podido detectarla de cerca y medir sus propiedades. Dicho de otro modo, la luz está compuesta por partículas llamadas fotones ¿qué partícula corresponde a lo que hemos llamado “materia oscura”? No sabemos qué es el 27% de nuestro universo (el 95% si tenemos en cuenta que tampoco conocemos la naturaleza de la energía oscura)

¿Y qué es XENON1T?

Sabiendo esto es más fácil entender por qué ha causado tanto revuelo la aparente detección de una partícula de materia oscura. Si esto fuera cierto estaríamos a las puertas de un posible cambio radical en cuanto a lo que sabemos sobre nuestro universo, desbloqueando nuevas investigaciones, nuevas respuestas y, sobre todo, nuevas preguntas.

No obstante ¿qué es lo que se ha encontrado realmente? El siguiente paso para entender todo esto es contar la historia del descubrimiento. Ha tenido lugar en el experimento XENON1T, que en principio no estaba preparado para hacer este tipo de detecciones, sino para encontrar las hipotéticas partículas WIMP, otras candidatas a materia oscura, pero con propiedades diferentes de lo que se ha detectado en esta ocasión. No obstante, desde su puesta en funcionamiento el XENON1T no ha detectado nada llamativo, lo cual, hasta cierto punto, puede afectar a las ganas que tenga la comunidad de creer que, ahora sí, ha descubierto algo revolucionario.

El experimento consiste, a muy grandes rasgos ,en un tanque bien aislado del mundo exterior y enterrado bajo casi un kilómetro y medio de roca, en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, Italia. El propósito de construir esta fortaleza de la soledad es porque ahí afuera hay una selva de partículas de todo tipo, atravesándonos en todas las direcciones. La única forma de encontrar una concreta es aprovechándose de alguna propiedad peculiar que estas no compartan con el resto del bestiario cuántico. En algunos casos, como el de las hipotéticas WIMP o los neutrinos, se supone que son especialmente duchas en atravesar grandes volúmenes de materia. Por ese motivo, si se construye un detector allí donde ninguna otra partícula puede llegar, es más probable que, cuando mida algo, sea porque ha detectado lo que buscamos y no cualquier otra cosa.

Lo siguiente, claro, es construir aquello que se vaya a encargar propiamente de detectar la partícula. La idea es que, cuando estas partículas (rara vez) chocan con la materia produce lo que se conoce como “energía de retroceso” haciendo que los electrones circundantes emitan luz. Así pues, habrá que recubrir el interior del tanque con dispositivos sensibles a la luz llamados fotomultiplicadores, que convertirán este estímulo en una señal eléctrica, calculando por triangulación dónde se produjo el choque, en base a cuándo y en qué fotorreceptores reciben esas partículas de luz. Una forma de facilitar que estas escurridizas partículas interaccionen con la materia es llenar el tanque con sustancias densas pero transparentes a la radiación electromagnética, para que la luz producida por el choque con sus electrones pueda viajar en línea recta hasta los fotomultiplicadores.

En este caso han decidido usar unas 3,2 toneladas de xenón extremadamente puro. El motivo de elegir xenón es, entre otras cosas, porque es un gas noble, muy estable, por lo que no interferirá con las medidas, sobre todo porque en este caso está, además, ultrapurificado, para reducir al mínimo las impurezas haciendo que sea raro (pero no imposible) encontrar en él átomos radiactivos, capaces de emitir partículas durante su desintegración que estropean las mediciones.

Cilindro del XENON1T donde se contiene el xenón./Foto: Experimento XENON/Creative Commons

Pues bien, es en este tanque de 3 toneladas de xenón donde se ha detectado la presunta partícula de materia oscura, pero no como ellos esperaban, porque las propiedades medidas no coinciden con las de una partícula WIMP que buscaban, sino que se trata de otra cosa.

¿Materia oscura, neutrinos sobre escalados o contaminación?

Como por mucho que nos aislemos siempre hay fuentes de ruido, estos detectores tienen que calibrarse. En función de la física que conocemos se calcula cuánto ruido (actividad no relevante) estarán detectando los fotomultiplicadores a lo largo de un periodo concreto de tiempo. Normalmente las mediciones coinciden con las expectativas, como ha sucedido durante toda la historia del XENON1T indicando que no han encontrado nada fuera de lo esperable. No obstante, durante las últimas mediciones se estimaban unos 232 eventos detectados de media, con un margen de error de 15 arriba o abajo de esa cifra. Sin embargo, los expertos han medido 38 más de los esperables por la cota superior de su margen de error, 53 más que la media, en definitiva 285 eventos. ¿A qué se deben esos sucesos extra?

Como hemos dicho, su energía no parece coincidir con la esperada de las partículas WIMP. No obstante, los investigadores, en su artículo todavía no publicado y que por lo tanto no ha sido oficialmente valorado por expertos independientes al experimento, sugieren tres posibles explicaciones.

La solución que menos se ha comentado en los medios generalistas es la de que se trate de neutrinos, partículas que sabemos que tienen facilidad para atravesar la materia casi a placer, pero que para que coincidieran con lo medido tendrían que ser bastante distintos a lo que hasta ahora suponíamos. Concretamente se trata de una propiedad llamada momento magnético, la cual tendría que ser notablemente superior al esperado. Para hacernos una idea, la diferencia es equivalente a esperar que un mosquito pese 5 miligramos y que resulte pesar 500 kilos, lo mismo que un toro de lidia de buen tamaño. En parte este es uno de los motivos por los que algunas personas esperan, a raíz de este estudio, nueva física que reescriba lo que sabemos. El problema es que esta es solo una de las explicaciones posibles, y de hecho ni siquiera es la más convincente.

La que se ha hecho más famosa suele contarse como sigue. Los eventos de materia oscura detectada podrían corresponder a partículas de tipo axión, un tipo de partícula teorizada pero nunca detectada y que podrían cumplir las propiedades medidas. El problema es doble en este caso. Por un lado, las partículas de tipo axión son algo controvertidas. Por otro lado, lo que se mide y aquello con lo que coinciden las mediciones no responde a lo que esperaríamos de una partícula de tipo axión, independientemente de si fueron generadas en el Sol o en otro lugar. Así pues, esta explicación, que es la que corresponde a los rimbombantes titulares que sugieren haber encontrado materia oscura, también parece cogido por los pelos.

Parece que existe una tercera explicación mucho más parsimoniosa, que no necesita recurrir a exotismos nunca medidos o que se enfrentan a la física que creemos conocer. El tritio es un isótopo del hidrógeno, esto significa que es un átomo de hidrógeno cuyo núcleo, en lugar de estar formado por un protón, está constituido por un protón y dos neutrones. Al ser radiactivo, si el tanque de xenón estuviera contaminado con una pequeña cantidad de tritio, explicaría que estas últimas mediciones hubieran registrado más eventos de los esperados, correspondientes a las partículas liberadas por el tritio durante su desintegración radiactiva. Con que se cuele un átomo de tritio por cada 10 cuatrillones de átomos de xenón (un uno seguido por 25 ceros) sería suficiente para explicar las medidas y muchísimo más plausible con los datos que tenemos.

Gráficas mostrando cómo se ajustan los datos a las distintas hipótesis que tratan de explicarlos./Foto: anónimo/Creative Commons

De hecho, este tipo de errores metodológicos están a la orden del día y no se deben necesariamente a un mal trabajo de los investigadores, sino a que es difícil tener todo bajo control. Por ese motivo muchos expertos ajenos a esta investigación del XENON1T se decantan por esta última explicación si es que hay que quedarse con una de las tres, y digo esto porque parece existir otra respuesta, y es que posiblemente no suceda nada atípico, ni siquiera contaminación por tritio.

Agua de borrajas

Si lo recuerdas, dijimos que los científicos esperaban encontrar 232 eventos con un margen de 15 arriba o 15 abajo. Pero en realidad, cuando hablamos de esta horquilla, nos referimos a desviaciones con una distancia a la que llamamos “una sigma”. Para que en física de partículas algo se considere realmente atípico teniendo tan pocas mediciones, es necesario que sea realmente extremo y que se distancie de lo esperado no una o dos sigmas, sino cinco. Esto es, para considerar anómalas las mediciones del XENON1T más allá de cualquier duda razonable estas tendrían que haber sido más de 297 (232+15*5) y 285 se queda a medio camino, a algo más de 3,5 sigmas. Claro que, como hemos dicho, que no llegue a valores tan extremos no nos permite afirmar que los eventos “extra” sean debidos a una fluctuación estadística sin importancia, como cuando tenemos una buena racha en los dados y sacamos 5 seises seguidos sin que el dado esté trucado o estemos haciendo trampas de algún tipo. Funciona al revés, cuando es superior a cinco sigmas podemos afirmar con bastante seguridad que no se debe a casualidades del azar, sino que hay algo causándolo.

No obstante, lo que sí podemos hacer con menos de cinco sigmas de diferencia es decir que no podemos descartar que los eventos extras se deban al azar, pero que si por algún casual (y no lo sabemos) hubieran sido causados por algo, es probable que fuera por cualquiera de las tres hipótesis anteriores. Ahora sugerir que hemos encontrado una partícula de materia oscura suena mucho más exagerado que al principio. En especial si tenemos en cuenta que estos eventos extra han sido de baja intensidad, para los cuales XENONT1 tiene una baja sensibilidad, haciendo que sean escasos y que una pequeña anomalía estadística se note mucho más.

Para decirlo de forma sencilla, si tiramos una moneda dos veces podemos estimar que conseguiremos una cara y una cruz, pero hay un 25% de posibilidades de conseguir dos caras o dos cruces. No es descabellado pensar que ocurra, pero si sucede estaremos detectando el doble de caras o cruces de las que esperábamos. Cuando en lugar de dos monedas tiramos 200, que salga una cara o una cruz más de las que esperabas apenas cambia el resultado. Pues esto es, salvando mucho las distancias, lo que puede haber ocurrido.

La nueva física está de moda, la navaja de Ockham no tanto

Dicen que, en igualdad de condiciones, la respuesta más probable es, normalmente, la correcta. Se trata de la navaja de Ockham y suele ejemplificarse diciendo que, si escuchas cascos galopando al otro lado de la ventana, lo normal es pensar que se trata de un caballo recorriendo la calle y no de una zebra. Cuando hablamos de caballos y zebra todos lo entendemos, porque en realidad no hay demasiada pasión en un experimento mental como ese, nos trae sin cuidado que sea un caballo, una zebra, un jirafa o un extinto alce irlandés.

Sin embargo, hay cosas en las que queremos creer por improbables que sean y los aficionados a la ciencia estamos deseando que un descubrimiento haga temblar los cimientos de una disciplina. El motivo es que lo que viene tras el cataclismo es una explosión de creatividad que permite reconstruir el conocimiento de formas más precisas y extendiendo sus fronteras allá donde nunca habían llegado. Aficionados y profesionales, queremos revoluciones, queremos eso que últimamente se escucha que se ha encontrado “nueva física”, algo que se está escuchando cada vez más en las esferas de la divulgación científica.

Este caso ha sido otro más donde las ansias de clamar por la nueva física se han antepuesto a la navaja de Ockham y se ha creído más probable que un resultado incierto y metodológicamente controvertido se venda como la confirmación de la gran revolución de la física de nuestro tiempo en lugar de como lo que probablemente sea, un caballo de tritio, galopando dentro del propio tanque. Un artefacto cuya historia, posiblemente, no vaya mucho más lejos.

QUE NO TE LA CUELEN:

  • En cualquier caso, el siguiente paso consistirá en replicar este experimento o buscar más detecciones que revelen propiedades similares. Hará falta más evidencia para poder confirmar o negar nada de forma rotunda y científica, pero precisamente por eso, mientras tanto, conviene mantenerse a la espera, bajar las expectativas y tomar tímidamente la alternativa más parsimoniosa.
  • Ojalá estemos ante una excepción y, efectivamente, se haya detectado una partícula de tipo axión o un neutrino que redefina el modelo estándar de la física cuántica. Que se considere poco probable no quiere decir que no nos emocionara que fuera cierto.

REFERENCIAS (MLA):

  • Aprile, E. et al. “Observation Of Excess Electronic Recoil Events In XENON1T”. Arxiv.Org, 2020, https://arxiv.org/abs/2006.09721.
  • Lang, Rafael. “Observation Of Excess Events In The XENON1T Dark Matter Experiment | The XENON Experiment”. Science.Purdue.Edu, 2020, https://science.purdue.edu/xenon1t/?p=1474.


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