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Cuando ningún resultado es un buen resultado: la historia de XENON y la búsqueda de la materia oscura

El progreso científico no es una línea recta, es una de esas máximas que conocemos pero que frecuentemente olvidamos. Si queremos utilizar metáforas viales quizá el progreso científico se parezca más a una encrucijada con multitud de caminos enmarañados, con altibajos y numerosas rotondas. El último ejemplo de esto es la colaboración XENON, un proyecto que lleva décadas creando y mejorando experimentos para detectar la materia oscura.


XENON y XENON1T.
XENON es el nombre del proyecto que agrupa una serie de experimentos basados en el mismo principio y enfocados en la detección de materia oscura. Éstos se basan en tanques cilíndricos de xenón líquido (y una capa de xenón en estado gaseoso), con detectores en sus extremos para encontrar las marcas que puedan dejar las interacciones entre partículas que se dan en el interior del recipiente.

Saltó a las noticias hace dos años cuando detectó unos resultados sorprendentes. Los detectores de XENON1T hallaron una cantidad notablemente alta de estos eventos. Los encargados del experimento publicaron los resultados acompañados de una serie de posibles interpretaciones en un artículo (pre-print) que publicaron en el repositorio ArXiv y que tuvo una inmensa repercusión.

Cientos de artículos posteriores se lanzaron a ofrecer posibles explicaciones que concordaran con los resultados.

¿Y si es tritio?
Ya desde un primer momento se especuló pues sobre diversidad de explicaciones alternativas al resultado. Una de ellas era la contaminación por tritio, un isótopo radioactivo del hidrógeno en cuyo núcleo dos neutrones acompañan al protón. Al descomponerse este átomo el rastro que deja tras de sí es semejante al detectado. Aunque el rastro apuntaba al tritio, la fuente de la posible contaminación era desconocida.

Replicar los resultados.
La siguiente fase del detector sería la encargada de confirmar o refutar el sorprendente resultado. Esta última iteración XENONnT contaba con una mayor masa de xenón: 5,9 toneladas en un cilindro de 1,49 metros de altura y 1,33 m de diámetro.

XENONnT batió el récord que ostentaba su predecesor en el proyecto como el experimento con mayor sensibilidad para la detección directa de materia oscura jamás creado. El objetivo de esta nueva iteración. Los resultados de este nuevo experimento se pueden encontrar en el repositorio ArXiv.

Y el resultado fue esta vez distinto: los eventos extraños detectados por el anterior experimento, es decir, las interacciones entre partículas que habían llamado en primer lugar la atención de los investigadores, se habían desvanecido en este nuevo intento. Cualquiera que fuera lo que hubiera causado estos eventos había sido eliminado en el proceso de mejora del detector, es decir, no era relevante para el experimento.

El “fondo”.
Las interacciones de fondo son los eventos detectados por los sensores del experimento cuya naturaleza no puede explicarse a través de los modelos asentados. Averiguar qué las causa es la clave del experimento. Para investigar en la frontera de la física es necesario contar con una base teórica fuerte. Esta base es la que permitió a los encargados de las distintas iteraciones del proyecto XENON a crear detectores que minimizaran el “ruido” para así comprobar si existía un fondo que correspondiera a algo “nuevo” (ya sea materia oscura u alguna otra partícula exótica).

El nuevo experimento no eliminó del todo las interacciones entre partículas detectadas en el tanque de xenón, pero las redujo (mucho) e identificó su fuente. Se trataba principalmente de decaimiento de segundo orden, el que se da cuando el isótopo 124 del xenón capta repentinamente dos electrones o cuando el isótopo 136 pierde dos de sus neutrones. Es decir, el resultado no indicaba la existencia de materia oscura ni ningún evento exótico o fuera de lo normal.

Más allá del binarismo.
La interpretación de los resultados va más allá de validar o rechazar la existencia de materia oscura. No sabemos qué es esta materia, por lo que existen multitud de modelos explicando su esencia, naturaleza y características.

Experimentos como éste nos permiten refinar estos conocimientos y entender qué modelos pueden ajustarse a los resultados experimentales y favorecerlos frente a aquellos que contradicen los modelos empíricos.

El experimento de Michelson-Morley.
Resultados como el de XENON1T son perfectamente posibles en ciencia. De ahí que replicar los experimentos sea una parte fundamental y a veces olvidada del método científico. Como también a veces se olvida la importancia de los resultados nulos como es el caso de este último experimento, XENONnT. Estos resultados pueden llevarnos a nuevos e interesantes hallazgos.

Seguramente el ejemplo más notorio de esto fue el experimento de Michelson-Morley. Este experimento pretendía comprobar que la luz se movía a través de un medio indetectable, el éter. El experimento era de gran precisión, y cuando se llevó a cabo en 1887 pareció un fiasco: ni rastro del éter.

Pero nada más lejos de la realidad, la inexistencia del éter implicó que los físicos de la época tuvieran que buscar nuevas explicaciones para fenómenos observados empíricamente, y con ello se habían sentado las bases de un cambio de paradigma en la física: la llegada de la teoría especial de la relatividad, apenas 20 años después.

Pasos en falso y pasos sobre firme.
Es importante entender estos experimentos no como errores sino como pequeños pero certeros pasos hacia adelante. Tratar de buscar explicaciones alternativas sabiendo que algunas de ellas pueden implicar resultados aparentemente decepcionantes es necesario siempre. Mejorar los experimentos para evitar errores, también. Ahí está una de las claves de este experimento, en la mejora sucesiva de la metodología experimental llevada a cabo por el equipo de XENON.

Las implicaciones de la segunda clave están aún por definir. Por ahora, este resultado nulo pero de gran precisión permitirá a los físicos teóricos refinar sus modelos, descartar algunas teorías y avanzar con más certeza en otras direcciones. Solo el tiempo dirá qué conclusiones podrán derivar de estos nuevos resultados.

Imagen | XENON

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