Un choque anómalo a 248 keV emerge de los datos de LUX-ZEPLIN: superó las pruebas de ruido de fondo, pero aún no es suficiente para un descubrimiento.

Solo un impacto, registrado en 220 días de observación, logró emerger de una región del detector donde el ruido de fondo esperado es extremadamente bajo. El evento depositó una energía de 248 kiloelectronvoltios y es consistente con el retroceso del núcleo de un átomo de xenón. Podría haber sido producido por una partícula de materia oscura, pero los datos disponibles aún no nos permiten confirmarlo.

La señal proviene de LUX-ZEPLIN, o LZ, uno de los instrumentos más sensibles construidos para buscar interacciones entre la materia ordinaria y la hipotética Partículas masivas de interacción débil, las partículas masivas de interacción débil conocidas como WIMP. El detector opera a casi una milla por debajo de la superficie, en el Instalación de investigación subterránea de Sanford de Lead, Dakota del Sur.

La La colaboración LZ ha publicado el resultado en formato de preimpresión., por lo tanto, antes de la revisión por pares, después de haber extendido el análisis a retrocesos nucleares mucho más energéticos que la investigación convencional. La significancia estadística alcanza un máximo local de 3,4 sigma, pero llega hasta 2,6 sigma a escala global Considerando la cantidad de modelos probados, se trata de una anomalía que merece atención, no del anuncio de la primera observación directa de materia oscura.

Siete toneladas de xenón transforman los choques en luz.

La evidencia astronómica indica que la materia oscura constituye aproximadamente El 85 por ciento de la materia del universoSu presencia se deduce de los efectos gravitacionales que ejerce sobre galaxias, cúmulos estelares y la luz que atraviesa grandes estructuras cósmicas. Dado que no emite ni absorbe radiación electromagnética de forma observable, la sustancia permanece invisible a los telescopios y se desconoce su composición microscópica.

LZ intenta una medición directa. En el centro del aparato hay un cámara de proyección de tiempo de doble fase Contiene aproximadamente siete toneladas activas de xenón líquido, parte de un inventario total de casi diez toneladas. El xenón ofrece núcleos pesados ​​y un medio extremadamente puro en el que se pueden reconstruir incluso mínimas reservas de energía.

Cuando una partícula interactúa en el líquido, produce un pulso de centelleo inicial, llamado S1y libera electrones. Un campo eléctrico los empuja hacia la parte superior de la cámara, donde son extraídos a una capa de gas xenón y generan una segunda señal luminosa, S2La intensidad relativa de los dos pulsos, su intervalo de tiempo y la distribución de la luz nos permiten estimar la energía y la ubicación tridimensional de la interacción.

Esta información también ayuda a distinguir dos familias de fenómenos. Las partículas gamma y beta tienden a interactuar con los electrones del xenón, produciendo retrocesos electrónicos; los neutrones o posibles WIMP pueden, en cambio, impactar directamente los núcleos, generando retrocesos nuclearesLa separación estadística es muy eficaz, pero no absoluta: los eventos raros, las coincidencias aleatorias y las respuestas no estándar de los dispositivos pueden imitar la señal deseada.

El detector está ubicado a gran profundidad para reducir el flujo de rayos cósmicos y está protegido por un tanque de agua y sistemas externos capaces de identificar neutrones y otras partículas. Por lo tanto, la búsqueda de materia oscura depende no solo de la masa del objetivo, sino también de la capacidad de identificar y rechazar prácticamente cualquier fuente de ruido de fondo.

La ventana de energía aumenta de 55 a aproximadamente 270 keV.

El análisis utiliza datos recopilados entre el 27 de marzo de 2023 y 1 de abril de 2024, para una exposición general de 2,84 toneladas por añoLa misma muestra ya había sido estudiada en la búsqueda de las interacciones WIMP más simples, concentradas principalmente en bajas energías. El nuevo trabajo ha ampliado la región de retrocesos nucleares desde 5,4 hasta aproximadamente 270 keV, frente a un límite anterior cercano a los 55 keV.

La elección nos permite explorar modelos en los que la distribución de energía esperada no disminuye tan rápidamente como en la interacción elástica tradicional independiente del espín. La colaboración consideró operadores de la teoría de campo efectiva no relativista, una herramienta matemática que describe diferentes maneras en que una WIMP podría acoplarse con protones y neutrones.

También se examinaron escenarios materia oscura inelásticaEn estos modelos, la partícula cambia de estado durante la colisión, y parte de la energía se utiliza para producir una versión ligeramente más pesada de sí misma. Para que este proceso sea posible, las WIMP deben ser suficientemente rápidas y masivas; por lo tanto, los retrocesos resultantes pueden ocupar regiones de energía que los análisis estándar ignoran.

El evento anómalo fue reconstruido en 248 keVcon una incertidumbre estadística de 23 keV y una incertidumbre sistemática de la misma magnitud. Su morfología parece ser consistente con la de un único retroceso nuclear, mientras que su posición se encuentra dentro del volumen interno seleccionado para limitar la contaminación proveniente de las paredes y otros componentes.

Si la colisión fue producida por materia oscura, las interpretaciones consideradas generalmente requerirían una WIMP pesada, con una masa de al menos 200 GeV/c², doscientas veces mayor que la del protón. Además, no se trataría de la interacción elemental más buscada, sino más bien de un acoplamiento dependiente del momento, el espín o una transición inelástica. Por lo tanto, la señal no identifica una partícula específica: es compatible con varias construcciones teóricas sometidas a análisis.

Desde el máximo local hasta la cifra global de aproximadamente 2,6 sigma

Para algunos modelos, la incompatibilidad entre el evento observado y la hipótesis de solo fondo alcanza localmente 3,4 sigmaConsiderado de forma aislada, dicho valor corresponde a una probabilidad muy baja de obtener un resultado al menos igual de extremo mediante fluctuaciones. Sin embargo, el experimento no verificó una única predicción predeterminada: exploró numerosas combinaciones de operadores, masas y separaciones de energía.

Cuantas más hipótesis se examinen, mayor será la probabilidad de que al menos una produzca aleatoriamente una discrepancia interesante. Esto es lo que se denomina efecto de mirar hacia otro ladoLa colaboración lo cuantificó mediante la construcción de muestras simuladas con técnicas de Monte Carlo y la repetición virtual de toda la investigación. Después de esta corrección, se encontró que la significancia general era igual a 2,6 sigma, asociado a un valor p del orden del 0,5 por ciento.

Esto no significa que haya una probabilidad del 99,5 por ciento de que el evento sea materia oscura. El valor p mide cuán inusual sería observar tal discrepancia suponiendo que el modelo subyacente sea correcto; no asigna directamente una probabilidad a las diferentes causas físicas. El umbral convencional para afirmar un descubrimiento en física de partículas es cinco sigma, mucho más restrictivo.

La cautela se acentúa por el hecho de que todo el exceso depende de un solo eventoOtra interacción con características similares aumentaría el interés, pero la importancia no aumentaría automáticamente: la energía, la posición en el detector, la compatibilidad con el mismo espectro teórico y la evolución del fondo esperado con la nueva exposición serían factores determinantes.

Rick Gaitskell, profesor en Universidad de Brown y portavoz de LZ, excluyó las interpretaciones prematuras en la nota publicada por Universidad de Sheffield:.

"No queremos prejuzgar las conclusiones basándonos en un solo evento. No afirmamos haber observado materia oscura. Pero sí hemos visto algo interesante que queremos compartir con la comunidad científica para recabar su opinión."

Las inspecciones en el fondo aún no han encontrado la causa.

La colaboración dedicó meses a probar explicaciones más comunes. El modelo incluye desintegraciones beta internas, neutrinos, isótopos de xenón, trazas de tritio y carbono-14, neutrones radiogénicos y cosmogénicos, coincidencias accidentales entre las señales S1 y S2, y configuraciones en las que múltiples centelleos pueden asociarse a una sola ionización.

También se evaluaron eventos producidos cerca de superficies, interacciones múltiples reconstruidas erróneamente como únicas y posibles efectos de forma de onda. El choque de 248 keV superó las selecciones aplicadas y no estuvo acompañado de señales en los sistemas de veto que hubieran sugerido el paso de un neutrón. Esto reduce algunas explicaciones conocidas, sin demostrar que algún proceso raro o error de modelado pudiera haberlo generado.

Aaron Manalaysay, físico de Lawrence Laboratorio Nacional de Berkeley El presidente del Consejo Institucional de LZ señaló que los sucesos anómalos no son inesperados, pero que su origen suele revelarse tras una inspección más exhaustiva.

"Este es el primer ejemplo, entre todos los experimentos en los que he trabajado, de un evento anómalo que parece válido en todos los aspectos. Todavía estamos tratando de comprender si podríamos haber pasado por alto algún mecanismo subyacente poco común, pero es emocionante pensar si esto podría ser el primer indicio de una observación de materia oscura."

La situación ilustra una limitación estructural de los experimentos con recuentos muy bajos. Cuando se espera que el fenómeno deseado se manifieste solo unas pocas veces en años de funcionamiento, Cada interacción adquiere peso científico; al mismo tiempo, una población de un solo elemento no nos permite reconstruir un espectro, verificar una distribución temporal o comparar múltiples eventos entre sí.

Un solo evento no es suficiente para reconstruir una señal física.

Sam Eriksen, investigador sénior enUniversidad de Bristol El autor principal del estudio explicó que el análisis exploró una región previamente inexplorada dentro de la misma muestra de datos. El equipo dedicó varios meses adicionales a reconstruir todas las causas conocidas capaces de producir los eventos subyacentes.

“Conocemos nuestro detector y sus componentes tan bien que incluso un solo evento inexplicable, como el que encontramos, es importante. Esperamos que las interacciones de materia oscura sean extremadamente raras, por lo que incluso unos pocos eventos podrían marcar la primera detección de materia oscura WIMP.”

La verificación independiente podría provenir de otros detectores de xenón, incluidos XENONnT en los Laboratorios Nacionales de Gran Sasso. Sin embargo, la comparabilidad dependerá del tamaño de las respectivas ventanas de energía, umbrales, tiempos de exposición y modelos analizados. Un evento similar observado por un aparato diferente sería particularmente valioso, ya que reduciría la probabilidad de un origen instrumental específico de la zona de fuga.

Dan Tovey, profesor y jefe del grupo LZ de laUniversidad de SheffieldEnfatizó que la señal ha superado hasta el momento todas las pruebas realizadas para determinar si se debía a procesos más comunes. Sin embargo, la única forma de determinar su naturaleza es examinar una mayor cantidad de datos.

Con un solo evento, es imposible concluir que estamos observando los primeros indicios de nueva física. Se ha realizado un trabajo ingente para verificar que el evento no sea el resultado de procesos más comunes, y hasta ahora ha superado todas las pruebas. La única forma de estar seguros es analizar más datos.

LZ continúa acumulando observaciones en Dakota del Sur y ya cuenta con la mayor muestra jamás obtenida por el experimento de búsqueda de WIMP. Los datos futuros revelarán si la anomalía seguirá siendo un evento aislado, perderá relevancia con un conocimiento más preciso del fondo, o si le seguirán otros retrocesos de energía y características comparables. Solo esta posible repetición transformará un único destello de xenón en un hallazgo sobre la naturaleza de la materia oscura.

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