Els físics que treballen amb el detector de matèria fosca XENON1T han rebut els primers indicis sobre l’existència dels anomenats axions, partícules ultralleugeres de matèria fosca. Evan Shockley, membre de la col·laboració XENON1T, en va parlar en una sessió informativa en línia a l'Institut Enrico Fermi de Chicago. La Universitat Purdue va publicar un article amb els resultats preliminars del treball.
"Els molts esdeveniments que els fotosensors XENON1T van detectar a baixes energies s'expliquen millor per la teoria que existeixen axions solars. Una altra explicació d'això és el moment magnètic diferent dels zero dels neutrins o la presència d'un nombre inexplicablement gran d'àtoms de triti dins d'una tina de xenó, "va comentar Shockley.
La instal·lació XENON1T es va construir al laboratori italià de Gran Sasso el 2014 amb la finalitat de buscar rastres de l'existència de matèria fosca "pesada", en particular, partícules hipotètiques, que els físics anomenen "wimp" (WIMP, partícula pesada que interactua dèbilment).. La instal·lació és una enorme tina plena de tres tones de xenó ultrapur.
Els nuclis dels àtoms d’aquest gas, tal com suposaven els científics, havien d’interactuar d’una manera especial amb els “wimps”. Això es podria detectar observant els flaixos de llum dins del xenó liquat mitjançant fotomultiplicadors i sensors de llum especialitzats. Durant les darreres dues dècades, els científics han creat aproximadament una dotzena de detectors d’aquest tipus amb un volum i una massa creixents.
Cap d’ells no va poder detectar rastres d’interaccions entre xenó i WIMP. Per tant, molts físics dubten que fins i tot existeixin. Davant problemes similars, Shockley i els seus col·legues es van preguntar si es podria reutilitzar XENON1T per buscar altres formes de matèria fosca, per exemple, les seves partícules ultralleugeres, axions, que són similars en propietats als neutrins.
Les teories que permeten existir axions indiquen que el sol i altres estrelles han de ser una font molt poderosa. En aquest cas, el flux d’axions que vola a través de la tina del detector interactuarà amb els electrons dels àtoms de xenó. A causa d’això, apareixeran flaixos de llum a determinades energies i longituds d’ona.
Rastres invisibles de la nova física
En conseqüència, si existeixen axions, a causa d’aquestes interaccions sorgirà un excés d’ones electromagnètiques, que serà fixat pels fotosensors a l’interior del detector. Fa sis anys, els participants del projecte XENON100 ja van intentar "atrapar" la matèria fosca ultralleugera d'aquesta manera, però van fracassar.
En augmentar el volum d’una tina de xenó líquid per deu vegades, Shockley i els seus col·legues van registrar possibles pistes de l’existència d’axions. Els fotosensors XENON1T van detectar un nombre inesperadament gran de partícules lleugeres, que van aparèixer com a resultat de la col·lisió d’electrons i certes partícules amb energies que oscil·laven entre els 3 i els 7 keV.
Van resultar ser un 22% més del previst pel Model Estàndard, una teoria que descriu la majoria de les interaccions de totes les partícules elementals que ara coneix la ciència. Com mostra l’anàlisi estadística, això difícilment podria haver passat per casualitat. Un senyal similar, tal com va assenyalar Shockley, pot generar desintegracions d’àtoms de triti, un isòtop inestable d’hidrogen, però els càlculs mostren que n’hi ha prou dins de la tina XENON1T per introduir discrepàncies tan greus entre teoria i experiment.
D’altra banda, aquestes discrepàncies també s’expliquen pel fet que els neutrins, tal com prediu el model estàndard, poden tenir un moment magnètic: molt petit, però diferent de zero. Les dades recollides per XENON1T, tal com va assenyalar Shockley, no ho contradiuen, però, la fiabilitat estadística d'aquesta hipòtesi és una mica inferior a la dels axions "solars".
Al mateix temps, les teories de l’axió i la dels neutrins contradiuen les observacions de la rapidesa amb què es refreden els interiors de les estrelles. Això, segons el físic Adam Falkowski de la Universitat de París-Saclay (França), augmenta significativament les possibilitats que les observacions posteriors puguin "anul·lar" ambdues teories. Malgrat tot, Falkovsky espera que aquesta vegada es confirmin les pistes del descobriment de la "nova física", en contrast amb històries similars dels darrers anys, que es van associar amb els descobriments del Gran Col·lisionador d'Hadrons i el detector de matèria fosca DAMA / LIBRA.
Totes aquestes teories es poden provar l'any que ve, segons Shockley, quan una versió actualitzada del seu detector, XENONnT, comença el seu treball. El seu volum serà gairebé quatre vegades més gran, cosa que reduirà dràsticament el nivell d’interferència i ajudarà els científics, gràcies a les característiques de l’estructura de l’espectre de flaixos de llum, a entendre quin dels tres "sospitosos", axions, neutrins o triti, donar lloc a aquesta anomalia.
