En las profundidades de una montaña italiana, un detector gigante lleno de toneladas de xenón líquido ha estado buscando materia oscura: partículas de una misteriosa sustancia cuyos efectos podemos ver en el universo, pero que nadie ha observado nunca directamente. Sin embargo, en el camino, el detector captó otro unicornio científico: la desintegración de átomos de xenón-124, el proceso más raro jamás observado en el universo.
Los resultados del experimento XENON1T, del que son coautores científicos de la Universidad de Chicago y que se publican el 25 de abril en la revista Nature, documentan la vida media más larga del universo y podrían ayudar a los científicos a buscar otro proceso misterioso que es uno de los grandes misterios de la física de partículas.
No todos los átomos son estables. Dependiendo de su composición, algunos se estabilizan liberando partículas subatómicas y convirtiéndose en un átomo de un elemento diferente, un proceso llamado desintegración radiactiva.
Estamos mucho más familiarizados con los elementos radiactivos como el uranio y el plutonio: estos son los adolescentes salvajes de los elementos radiactivos, que lanzan constantemente partículas. El radón-222, por ejemplo, tiene una vida media de sólo cuatro días. Sin embargo, algunos elementos se descomponen muy, muy lentamente. El xenón-124 es uno de esos ancianos: su vida media es un trillón de veces más larga que la edad del universo y, por tanto, la posibilidad de detectar su desintegración es muy pequeña.
«Esta es la vida más larga que hemos medido directamente», dijo Luca Grandi, profesor adjunto de física en la Universidad de Chicago y coautor del estudio. «Su detección fue posible sólo gracias al tremendo esfuerzo que la colaboración puso en hacer de XENON1T un detector de fondo ultrabajo. Esto hizo que el detector fuera ideal para la búsqueda de eventos raros, como la detección de la materia oscura -para la que fue diseñado-, así como para otros procesos elusivos».
Grandi es uno de los científicos que trabajaron en el detector XENON1T, una máquina extremadamente sensible escondida a casi un kilómetro y medio bajo la superficie de las montañas del Gran Sasso en Italia. La profundidad y la gigantesca piscina de agua en la que está sumergido el detector lo protegen de las falsas alarmas procedentes de los rayos cósmicos y otros fenómenos, ya que busca pruebas de una partícula llamada «WIMP», un candidato propuesto para la materia oscura.
El detector XENON1T está lleno de tres toneladas de xenón, que se mantiene refrigerado a menos 140 grados Fahrenheit y se purifica constantemente (incluso unos pocos átomos que se desprendan de los lados metálicos del contenedor podrían desviar las mediciones). El detector, que Grandi y el equipo de la UChicago ayudaron a desarrollar, construir y operar, detecta los destellos de luz que se producen después de que una partícula golpee un átomo de xenón.
El detector XENON1T está optimizado para detectar procesos muy raros, ya que se espera que las partículas de materia oscura interactúen muy raramente con la materia ordinaria. Pero también puede captar otras señales: en este caso, las huellas producidas cuando los átomos de xenón-124 decaen dentro del detector. Hay suficientes átomos de xenón-124 en el interior del detector, por lo que se observaron 126 veces en el año que XENON1T estuvo tomando datos.
Los datos ayudaron a la colaboración a realizar la primera medición definitiva de la vida media del xenón-124: 18.000 millones de trillones de años.
Este proceso de desintegración se denomina captura de electrones dobles de dos neutrinos. Se produce cuando dos protones del núcleo de xenón absorben simultáneamente un electrón de la corteza atómica y emiten un neutrino, convirtiendo ambos protones en neutrones.
Esto está estrechamente relacionado con otro proceso que intriga a los físicos, llamado proceso de desintegración beta doble. «Si los científicos observaran una versión sin neutrinos de la desintegración beta doble, sabríamos que un neutrino es su propia antipartícula», dijo Grandi. De ser así, los físicos tendrían que revisar su imagen del funcionamiento del universo, e incluso podrían abrir la puerta a algunas cuestiones fundamentales, como por ejemplo, por qué hay más materia que antimateria en el universo.
Nadie ha podido observar todavía un suceso de este tipo, pero la medición de la desintegración del xenón-124 proporciona a los científicos información sobre cómo buscarla, al precisar los parámetros de los modelos de los científicos y reducir la posibilidad de errores de la técnica que utilizan para buscar desintegraciones beta dobles sin neutrinos.
«Más allá de restringir los modelos nucleares para la búsqueda de dobles beta, este descubrimiento nos dice que podría ser posible utilizar futuros detectores masivos de xenón para buscar dobles capturas de electrones sin neutrinos, una variante aún más rara que, si se detecta, también nos diría la naturaleza de los neutrinos», dijo Grandi.
El detector XENON1T está siendo actualizado para aumentar su sensibilidad; está previsto que vuelva a tomar datos a finales de este año como XENONnT, con el triple de xenón y un orden de magnitud más de sensibilidad.
Los otros científicos de la UChicago que participaron en el trabajo fueron el investigador postdoctoral Jacques Pienaar; los estudiantes de posgrado Evan Shockley, Nicholas Upole y Katrina Miller; el investigador postdoctoral Christopher Tunnell (ahora en la Universidad de Rice); y el científico de datos Benedikt Riedel (ahora en la Universidad de Wisconsin-Madison).
Citación: «Primera observación de la doble captura de electrones de dos neutrinos en 124Xe con XENON1T». Aprile et al, Nature, 24 de abril de 2019.
Financiación: National Science Foundation, Swiss National Science Foundation, Ministerio de Educación e Investigación de Alemania, Max Planck Gesellschaft, German Research Foundation, Netherlands Organisation for Scientific Research, NLeSC, Weizmann Institute of Science, I-CORE, Pazy-Vatat, Initial Training Network Invisibles, Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia, Region des Pays de la Loire, Knut and Alice Wallenberg Foundation, Kavli Foundation, Abeloe Graduate Fellowship y Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.