Año 2019. En un laboratorio subterráneo, a un kilómetro y medio bajo el macizo del Gran Sasso en Italia, un detector de materia oscura fue testigo de algo extraordinario: la desintegración radiactiva de un átomo de xenón-124. Es el proceso más lento (y por lo tanto, más raro) jamás registrado.
Les tocó la lotería cósmica. El xenón-124 tiene una semivida de 1,8 × 10²² años. Eso es un 18 seguido de 21 ceros: 18.000 trillones de años. Por ponerlo en perspectiva, el universo tiene «apenas» unos 13.800 millones de años, de manera que el proceso que los científicos italianos pudieron observar en 2019 es un billón de veces más duradero que la propia edad del universo, como lo describieron los investigadores en la revista Nature.
Un poco de contexto. La «semivida» es una medida estadística similar a la vida media, pero define específicamente el periodo de semidesintegración de una sustancia radiactiva. El uranio-238, por ejemplo, tiene una semivida de 4.500 millones de años. En el caso que nos ocupa, la semivida nos dice cuánto tiempo tiene que pasar para que la mitad de un grupo muy grande de átomos de xenón-124 se desintegren y se conviertan en otro elemento, el teluro-124.
Para un átomo individual, su desintegración es un evento puramente aleatorio. Un átomo concreto podría desintegrarse en el próximo segundo o ser estable durante un tiempo mucho mayor que su semivida. Para un grupo de átomos, la semivida es una predicción muy fiable de su comportamiento colectivo. Si tuvieras un recipiente con una gran cantidad de átomos de xenón-124, tendrías que esperar 18.000 trillones de años para que la mitad de los átomos se transformen.
¿Cómo lo hicieron? Con un recipiente muy grande, que contenía 3,2 toneladas de xenón líquido ultrapuro. Nos referimos al experimento XENON1T del Laboratorio Nacional del Gran Sasso, en el centro de Italia. Un detector de materia oscura diseñado para la búsqueda directa de las hipotéticas Partículas Masivas de Interacción Débil (WIMP, por sus siglas en inglés).
El detector fue diseñado con una sensibilidad extrema y construido bajo una montaña para aislarlo de la radiación cósmica. Pero lo que captó no fue materia oscura, sino el susurro de un átomo de xenón-124 descomponiéndose; transformándose en teluro-124. El evento más raro jamás presenciado.
No es una hipérbole. Realmente fue un hito de la física experimental que no deberíamos haber visto ni en un billón de vidas del universo. Pero aunque la probabilidad de que un átomo de xenón-124 se desintegre en un año es prácticamente nula, el detector contenía casi 10.000 billones de billones de átomos de xenón en las dos toneladas de volumen que fueron analizadas.
Con una cantidad tan abrumadora de «billetes de lotería», la probabilidad de que al menos uno se desintegrara durante el periodo de observación aumentó drásticamente. Durante los 177 días de recopilación de datos, el equipo observó no uno, sino un total de 126 eventos que luego pudieron confirmar como el decaimiento del xenón-124, un tipo de desintegración radiactiva permitido por el Modelo Estándar de la física de partículas, pero prácticamente indetectable.
Qué fue lo que vieron. Un átomo de xenón-124 se desintegra cuando su núcleo captura simultáneamente dos electrones de las capas más internas. Esto provoca que dos protones se conviertan en neutrones, transformando el átomo en teluro-124. Pero la energía liberada se la llevan dos neutrinos, que escapan sin ser detectados.
Lo que los fotomultiplicadores del XENON1T detectaron hasta 126 veces fue la cascada de rayos X y electrones Auger que se producen cuando los electrones de las capas superiores del xenón-124 caen para llenar los huecos que han dejado los dos electrones capturados. Esta es la firma energética, el «destello» que delata el evento más raro del universo.
¿Ha servido para algo? Para más de lo que parece. Aunque no hubiera suerte con la materia oscura, la detección demostró que XENON1T puede captar una señales increíblemente débiles y raras, validando su diseño. Pero la medición también proporcionó datos experimentales para poner a prueba y mejorar los modelos teóricos que describen la estructura y estabilidad de los núcleos atómicos.
Esta observación es un ensayo general para un objetivo aún más ambicioso: la búsqueda de capturas de doble electrón sin neutrinos. Si se detectara este proceso hipotético, demostraría que los neutrinos son sus propias antipartículas (lo que se conoce como partículas de Majorana). Esto explicaría por qué el universo está hecho de materia y no de antimateria.
Imagen | LNGS
En Xataka | Cuando ningún resultado es un buen resultado: la historia de XENON y la búsqueda de la materia oscura
–
La noticia
El evento más raro que ha presenciado la humanidad ocurre, de media, cada un billón de veces la edad del universo
fue publicada originalmente en
Xataka
por
Matías S. Zavia
.
