XENON1T observa un exceso a 3.5 sigmas para energías de retroceso entre 1 y 7 keV de origen desconocido

Por Francisco R. Villatoro, el 17 junio, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 13

Hoy, el doctorando Evan Shockley (Univ. Chicago, EEUU) ha presentado en un seminario los últimos resultados del experimento italiano XENON1T, que lidera la doctora Elena Aprile (Univ. Columbia, EEUU). Se han analizado los datos con muy baja energía de retroceso, entre 1 y 30 keV. Se han observado 285 sucesos con energía entre 1 y 7 keV, cuando se esperaban 232 ± 15 sucesos; este exceso de 53 sucesos, que equivale a unas 3.5 sigmas, aún no tiene explicación. Tampoco tiene explicación un defecto observado a unos 17.5 keV a unas 4 sigmas. Se ofrecen tres explicaciones posibles: contaminación por tritio, la existencia de axiones solares y un posible momento magnético del neutrino (si fuera un fermión de Majorana). En mi opinión, no hay duda posible, todo apunta a la contaminación por tritio. Sin embargo, a algunos físicos les están haciendo palmas las orejas; sugieren que se ha descubierto física más allá del modelo estándar. Pido perdón a los optimistas, pero creo que se trata de una falsa alarma.

Te recuerdo que el experimento XENON1T está diseñado para buscar partículas WIMP candidatas a explicar la materia oscura con una masa entre 6 GeV/c² y 1 TeV/c². Para ello se estudian sucesos con energías de retroceso entre 1 y 100 keV, siendo la sensibilidad óptima por encima de 20 keV. En dicha región no se observó ningún exceso en las búsquedas de partículas WIMP con los datos recopilados entre 2016 y 2018. Ahora se publica una búsqueda con los mismos datos en la región de energías de retroceso por debajo de 20 keV; ha sido posible gracias a una nueva estimación de la sensibilidad en dicha región, que la mejora hasta en un factor de cuatro por encima de 2 keV. En mi opinión, era de esperar la aparición de excesos y defectos. Hasta que no se acumulen más datos y se repita el análisis, debemos tomar con mucho escepticismo cualquier interpretación del exceso que implique la existencia de nueva física más allá del modelo estándar.

Los fiascos de OPERA, BICEP2 y el exceso de dibosones en el ATLAS y CMS requieren una postura escéptica respecto a este nuevo resultado. El artículo (que aparecerá mañana en arXiv) es XENON Collaboration, «Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T,» arXiv:2006.09721 [hep-ex](17 Jun 2020), preprint [PDF] (17 Jun 2020). Más información en Rafael Lang, «Observation of Excess Events in the XENON1T Dark Matter Experiment,» Press Release, XENON1T, 17 Jun 2020; Adam Falkowski (Jester), «Hail the XENON excess,» Résonaances, 17 Jun 2020; Natalie Wolchover, «Dark Matter Experiment Finds Unexplained Signal,» Quanta Magazine, 17 Jun 2020; Luboš Motl, «XENON1T: our excess is due to tritium junk, axions, or magnetic neutrinos,» The Reference Frame, 17 Jun 2020; entre otras.

[PS 24 jun 2020] Me he preguntado en Twitter, ¿para qué sirve publicar un exceso poco confiable como el de XENON1T? Y la respuesta es que en solo una semana ha sido citado más de 23 veces (así cuando sea aceptado en una revista tendrá cientos de citas). (1) https://arxiv.org/abs/2006.10035 (2) https://arxiv.org/abs/2006.10035 (3) https://arxiv.org/abs/2006.10735 (4) https://arxiv.org/abs/2006.11225 (5) https://arxiv.org/abs/2006.11243 (6) https://arxiv.org/abs/2006.11250 (7) https://arxiv.org/abs/2006.11264 (8) https://arxiv.org/abs/2006.11837 (9) https://arxiv.org/abs/2006.11919 (10) https://arxiv.org/abs/2006.11938 (11) https://arxiv.org/abs/2006.11949 (12) https://arxiv.org/abs/2006.12348 (13) https://arxiv.org/abs/2006.12447 (14) https://arxiv.org/abs/2006.12457 (15) https://arxiv.org/abs/2006.12461 (16) https://arxiv.org/abs/2006.12462 (17) https://arxiv.org/abs/2006.12487 (18) https://arxiv.org/abs/2006.12488 (19) https://arxiv.org/abs/2006.12529 (20) https://arxiv.org/abs/2006.12887 (21) https://arxiv.org/abs/2006.13159 (22) https://arxiv.org/abs/2006.13161 (23) https://arxiv.org/abs/2006.13183 (…) Y pare usted de contar, que no es plan de agobiar al personal. [/PS]

El detector XENON1T, situado en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, Italia, usa un tanque relleno de 3.2 toneladas de xenón licuado ultrapuro, de los que 2.0 toneladas se usan para la detección de partículas. Cuando una partícula WIMP choca con un núcleo de xenón produce una energía de retroceso que se detecta por la luz emitida por los electrones que lo rodean. Se usa una detección por coincidencia en la que los fotomultiplicadores colocados encima y debajo del tanque deben recibir una señal con un pequeño desfase (debido a que la distancia entre el punto de colisión y el fondo o el techo pueden ser diferentes). El xenón ultrapuro contiene impurezas, lo que puede llevar a falsos positivos. El conocimiento del instrumento durante la toma de datos permite estimar con precisión el fondo de ruido que introducen en el instrumento.

Ya te he comentado que, en mi opinión, el exceso observado es un artefacto debido a una estimación incorrecta del ruido de fondo combinado con el análisis en una región donde la sensibilidad es pobre. Sin embargo, bajo la hipótesis de que dicho exceso sea real, el nuevo artículo propone tres explicaciones. La más convincente en mi opinión, es la contaminación por tritio. No se ha considerado su presencia en la estimación del ruido de fondo, pero unos pocos átomos de tritio por cada 10²⁵ átomos de xenón sería suficiente para explicar el exceso, como muestra esta figura. Así que el exceso bien podría ser una prueba de que hay que tener en cuenta el tritio en el análisis del ruido de fondo.

Por supuesto, seguro que prefieres explicaciones más exóticas, como la existencia de axiones solares. Los axiones están acoplados a los fotones, así la mayor fuente de fotones que conocemos, el Sol, debería ser también una fuente de axiones (llamados solares). La temperatura del núcleo del Sol es de unos quince millones de kelvin, o sea, unos 1.3 keV; como el exceso está entre 1 y 7 keV, parece razonable recurrir a los axiones solares. Obviamente, estos axiones (estelares) son insuficientes para explicar la materia oscura, y su existencia afectaría a la física de las enanas blancas lo suficiente como para descartarlos; aún así, implicaría que en los primeros instantes del universo se pudieron producir suficientes axiones como para explicar toda la materia oscura del universo. El problema es que la explicación del exceso observado con axiones es menos convincente que con tritio.

La tercera explicación del exceso podría ser que los neutrinos tienen momento magnético gigante (unos ocho órdenes de magnitud mayor que el que predice el modelo estándar). Esta posibilidad me parece poco razonable porque se requiere un valor que está justo en el borde los límites de exclusión actuales (parece una casualidad muy improbable). En su caso exigiría que existiera nueva física por debajo de unos 100 TeV, que quizás también podría explicar las anomalías leptónicas asociadas a los mesones B.

Por supuesto, la explicación del exceso (si se confirmase) podría ser una combinación de las anteriores, o incluso algo completamente diferente, como un fotón oscuro; recuerda que una partícula de espín uno con masa (fotón oscuro) daría una señal de retroceso similar a la de una partícula de espín cero (axión o partícula tipo axión, ALP). Esta figura muestra los nuevos límites de exclusión para ambas posibilidades obtenidos tras el nuevo resultado de XENON1T. Pero seguro que los físicos teóricos propondrán decenas de otras posibilidades en los próximos meses. Aún así, me parece que el exceso es espurio y acabará desapareciendo conforme se acumulen más datos. ¡Espero estar equivocado!



13 Comentarios

  1. Francis:

    Muchas gracias (como siempre) por tan buen artículo. Me ha gustado mucho su opinión tan bien informada y argumentada sobre el exceso, que suerte poder leerle.

    Un breve comentario sobre el primer párrafo de esta entrada: Me intrigó el comentario de que una posible explicación al exceso sea un posible momento magnético para el neutrino, si es que este fuese de tipo Majorana. Tengo entendido que también un neutrino con término de masa de tipo Dirac puede tener momento magnético; de hecho, en el modelo estándar, cualquier espinor neutro con un término de masa de tipo Dirac, necesariamente tiene un momento magnético no nulo. En el tercer párrafo de la página uno de este documento https://cds.cern.ch/record/595970/files/0212118.pdf se explica el porqué.

    Tal vez el problema es que el cálculo del valor de expectación de una componente de momento magnético μ de un fermión ψ que se hace en los textos de mecánica cuántica arroja un resultado proporcional a la carga de dicho fermión (ver la ecuación uno del siguiente texto https://file.scirp.org/pdf/JMP_2014042910261886.pdf), de aquí se concluye que un espinor neutro (para la carga eléctrica) obedece =0. Sin embargo en teoría cuántica de campos las cosas son diferentes, una vez que se incluyen otras especies de leptones y otras interacciones, existirán entonces correcciones cuánticas no nulas (a partir de un lazo) para el momento magnético del neutrino aún si este es de tipo Dirac (la figura uno del artículo que adjunté en el párrafo anterior tiene ejemplos de este tipo de diagramas).

    Entiendo que lo que menciono es irrelevante para la entrada porque, aún con un neutrino de tipo Dirac, nueva física sería requerida para explicar un supuesto valor lo suficientemente grande para explicar la anomalía; en caso de que un valor tan grande para el momento magnético del neutrino fuera la solución; lo cual, concuerdo, es muy improbable.

    Un saludo.

    1. Ramiro, se requiere un momento magnético enorme (del orden de 10^-11 magnetones de Bohr) cuando en el modelo estándar el neutrino de Dirac tiene uno del orden de 10^-19 magnetones de Bohr. Por lo que tengo entendido, para neutrinos de Dirac hay límites de exclusión más estrictos que para neturinos de Majorana; para neutrinos de Dirac se sabe que su momento magnético debe ser inferior a 10^-14 magnetones de Bohr (luego incompatible con la señal de XENON1T); para neutrinos de Majorana los límites actuales rondan los 10^-11 magnetones de Bohr (justo el valor elegido en el artículo de XENON1T para explicar la señal). Por cierto, algunos límites recientes lo rebajan a menos de 10^-12 magnetones de Bohr, lo que descartaría dicha hipótesis (pero los autores de XENON1T hacen oídos sordos a dichos límites).

      1. Muchas gracias por su amable he instructiva respuesta, Francis.

        Interpreté mal su comentario, creí (incorrectamente) que sugería que no era posible que un neutrino tipo Dirac tuviese momento magnético, no estaba al tanto de las cotas superiores para los valores de momento magnético para los neutrinos y ni de para explicar el exceso se requieren neutrinos de Majorana.

        Aprendí algo nuevo.
        Una disculpa y de nuevo, muchas gracias.

  2. La naturaleza no nos deja conocer de que está hecha la mayor parte de la materia del Universo: la esconde lejos de nuestros límites de exclusión, contamina nuestros experimentos, nos da pistas falsas… solo falta una ronda de nominaciones al estilo de tele5 😀 Ahora en serio, es una lástima, pero como Francis explica a la perfección esto tiene toda la pinta de quedarse en nada tanto por los problemas graves de las posibles explicaciones como por la mayor probabilidad estadística que poseen las explicaciones más mundanas. Por cierto, es extraño que en Arxiv apenas hayan aparecido papers tratando de explicar el exceso, ¿precaución o falta de candidatos teóricos?
    De todas formas, los resultados negativos no son ni mucho menos tiempo perdido ya que permiten aumentar los límites de exclusión. Además existen un gran número de experimentos en curso en un gran abanico de campos diferentes, por citar algunos: XENONnT, LUX-ZEPLIN y PandaX-4T, LHAASO, SWGO, CTA en búsquedas de materia oscura, Hyper-Kamiokande, DUNE, JUNO en física de neutrinos-desintegración del protón, LISA,TAIJI,TIANQIN,BBO,DECIGO, EinsteinTelescope y CosmicExplorer como detectores de ondas gravitatorias, LITLEBIRD, CORE, PIXIE para estudiar los modos B del CMB… además tenemos experimentos que buscan la desintegración doble beta sin neutrinos, proto-computadores cuánticos, deep machine learning, JamesWebb telescope, Astronomía Multimensajero, nuevos avances teóricos ¿Alguien sigue pensando que la Física está atascada? El Universo está lleno de fenómenos fascinantes esperando a ser descubiertos ¿Cual de ellos será el próximo en ser detectado?
    PD: Aunque hoy no es Domingo he decido a «castigar» a los lectores de Francis con una de mis monsergas… 😀

      1. Ramiro, la propuesta aún no está clara; parece que pretenden que en 2026 se logre financiación para empezar a construir el futuro colisionador FCC de 100 km de diámetro alrededor de 2028 (mientras hay colisiones en HL-LHC, que se iniciará en 2027 y debería acabar en 2037); el objetivo sería que FCC estuviera finalizado alrededor de 2038. Si se cumplieran estas expectativas optimistas, los primeros indicios de «nueva física» podrían aparecer sobre 2040, no antes.

        Aún así, para un proyecto de esta magnitud y teniendo en cuenta la gran crisis en Europa de principios de los 2020, parece muy improbable que se inicie la construcción de FCC a finales de la década de los 2020.

        En mi opinión, la baza está en manos de China y su CEPC (Circular Electron Positron Collider); si se inicia la construcción antes de 2026, me parece que se cancelará el FCC y se confiará en que China domine la física de partículas mundial con su SPPC (Super Proton Proton Collider).

  3. Lástima que el proyecto del FCC sea (si se aprueba) a muy largo plazo. La verdad es que la noticia de XENON1T seguro ha hecho revivir a algunos por momentos aquella época pre-LHC donde parecía posible descubrir toda una serie de nuevos fenómenos físicos: SUSY, darkmatter particles, física con varios Higgs, partículas de KK, monopolos magnéticos e incluso miniagujeros negros… visto en retrospectiva ahora está claro que eramos demasiado optimistas… Lo increíble de todo esto es que SABEMOS con toda certeza que existe nueva física (masa de los neutrinos, problema de la masa del Higgs, etc) pero evidentemente no podemos explorar directamente las enormes energías que existen hasta la energía de planck.
    La buena noticia es que ahora tenemos nuevas herramientas como los detectores de ondas gravitatorias (con un poco de suerte podrían detectarse cuerdas cósmicas) y en breve se pondrán en marcha nuevos experimentos que permitirán aumentar varios ordenes de magnitud la sensibilidad al proceso de desintegración del protón (ver por ejemplo: https://arxiv.org/abs/2005.13549 ) Observar la desintegración del protón nos abriría la puerta a procesos de altísima energía e incluso podríamos deducir la existencia de grupos gauge superiores al del SM (GUT theories).
    Por otro lado los nuevos telescopios para estudiar el CMB tienen un enorme potencial (tipo de inflación, modos B e incluso huellas de «burbujas» inflacionarias). Además sigue creciendo la anomalía de los mesones B… Creo que los físicos teóricos y los buenos aficionados a la física moderna saben con toda certeza que nuestro Universo real dista mucho de la imagen convencional del Big-Bang clásico, de hecho muy probablemente el Big-Bang fue solo un evento entre muchos…todo apunta a que a nivel fundamental nuestro Universo posee una nueva y rica estructura (superposición de geometrías, entrelazamiento, holografía) y que quizás, por ejemplo, las omnipresentes simetrías gauge y redundancias que observamos y en las que se basan nuestras mejores teorías sean una consecuencia de esta estructura subyacente… La pregunta del millón es ¿podrá la física experimental detectar alguna «huella» de esta «estructura» subyacente? ¿Hasta donde nuestros modelos matemáticos podrán ser contrastados experimentalmente? Una cosa parece clara: la búsqueda será apasionante. Un saludo amigo Ramiro y gracias por tus excelentes aportaciones.

  4. Hola Francis,

    Como se indica en la entrada, la colaboración ha propuesto, como una de las posibles causas del exceso observado, la detección experimental de una nueva partícula, el axion, sin embargo también se comenta que en este caso algunos físicos «sugieren que se ha descubierto física más allá del modelo estándar». Esta afirmación también se está divulgando por la prensa no especializada. Sin embargo, me sorprende, pues el axion ya está predicho por el modelo estándar, lo mismo que el bosón de Higgs, o eso es lo que creía yo. Es algo que también se afirma en múltiples entradas de este blog donde se explica de forma tan formidable el mecanismo de Peccei-Quinn. Por otra parte, ¿Se puede deducir del experimento la masa del axion? En la entrada del 03/11/2016, se hacía referencia al Preprint arXiv:1606.07494, donde se indicaba, que según la simulación Lattice QCD, la masa del axion en la postinflacción estaba comprendida entre 50 μeV y 1,5 meV. Lo que dejaba fuera el rango de búsqueda objetivo del experimento ADMX. ¿Se sabe cual es la masa para el axion que proponen en el experimento XENON1T?

    1. Alberto, no se trataría del axión QCD pues la masa necesaria es enorme, sino una “partícula tipo axión” (ALP); la masa depende del modelo y en el artículo de XENON1T se proponen dos modelos, uno con masa entre 0.1 y 4 eV, y otro con masa entre 1 y 10 eV. En cualquier caso, estas masas para el axión QCD predicho por el modelo estándar están descartadas (muchas estrellas sería muy diferentes de cómo las vemos); las masas predichas para el axión QCD están ente 1 µeV y 1 meV. Solo podría tratarse de un ALP (aunque se llame “axión” para simplificar).

      Y, por cierto, alguna gente dice que el modelo estándar es lo que se conocía en 1974, con lo que el axión QCD, predicho en 1977, es física más allá del modelo modelo estándar. Pero en 1974 no se sabía que había una tercera generación de fermiones, ni que solo había tres generaciones de neutrinos ligeros, ni que los neutrinos tuvieran masa, ni muchas otras cosas.

  5. Aclarado entonces. Física más allá del Modelo Estándar en el caso de la interpretación correcta del exceso sea la del axión. Muchas gracias Francis.

  6. Me molesta muchísimo que, cuando aparece una noticia como esta mostrando indicios de nueva física, Francis muestre su escepticismo tajante. Pero más me molesta que siempre tenga razón.

Deja un comentario