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El detector de materia oscura XENON-1T registra el muy improbable decaimiento doble β del xenon-124.

Varios detectores de materia oscura se han instalado bajo tierra a gran profundidad en diversas localizaciones del mundo. Tratan de registrar las WIMP, o partículas masivas débilmente interactuantes. Hasta ahora no las han detectado.

Uno de ellos es XENON1T, un detector basado en la observación que ahora cuenta con más de tres toneladas de xenon líquido. Este detector tampoco ha logrado detectar las WIMP, sin embargo si ha conseguido detectar un evento muy raro: la desintegración beta doble del xenon-124.

Hay cuatro fuerzas en la Naturaleza, que sepamos. Una es la gravedad y que parece ir aparte de las demás, sobre todo por su extrema debilidad. La otra es el electromagnetismo, de sobra conocido. La tercera es la fuerza nuclear fuerte, de corto alcance y que es la que mantiene junta la materia nuclear. Y, finalmente, la fuerza nuclear débil, que es la responsable de las desintegraciones por ejemplo, de la transmutación de un protón en un neutrón.

La fuerza nuclear es débil y, por lo tanto, tarda en hacer su trabajo. Esto es una ventaja. Las estrellas no explotan como una bomba H precisamente por esta razón. Para transformar cuatro protones (cuatro núcleos de hidrógeno) en un núcleo de helio se necesita transformar dos protones en dos neutrones y para eso se requiera que uno de los dos quarks abajo de cada protón se transforme en un quark arriba con la emisión de un neutrino y un positrón. Por esta razón la fusión nuclear estelar tiene un ritmo lento. En una bomba H ya están los protones y neutrones en las proporciones adecuadas para que la fuerza fuerte lo avasalle todo de golpe sin necesidad que la fuerza débil opere.

Pero no es solamente esta reacción la que está controlada por la fuerza nuclear débil, hay muchas otras y en casi todas ellas interviene una partícula un tanto esquiva: el neutrino.

Una de ellas es el decaimiento β mediante captura de un electrón, que tiene carga negativa. El núcleo atómico captura un electrón de capa de electrones de átomo que rodea el núcleo y se emite un neutrino. Esto es lo que pasa, por ejemplo en el caso del yodo-124, que sufre uno de estos decaimientos y se transforma teluro-124, lo que reduce su número atómico en una unidad al transformar un protón en un neutrón. La vida media de este isótopo del yodo es de sólo 4,2 días por culpa de esta desintegración.

El Modelo Estándar de partículas ha sido la guía en las últimas décadas y, hasta ahora ha funcionado bastante bien. Pero los físicos esperan que no esté completo y que haya partes que lo complementen o lo modifiquen. Según el Modelo Estándar los neutrinos de Dirac y tienen su propia antipartícula. Pero si este modelo no es la última palabra, puede que, en realidad, el neutrino sea una neutrino de Majorana y que sea su propia antipartícula. Si esto es así es posible que las WIMP existan.

El Modelo Estándar permite también el decaimiento doble β. En este caso el núcleo captura a la vez dos electrones del átomo y no se emiten dos neutrinos. El isótopo que sufra este decaimiento reduce, por tanto, su número atómico en dos unidades. Obsérvese que se dice «a la vez», lo que hace que este fenómeno sea altamente improbable. Además, si los neutrinos son de Majorana se permitiría un decaimiento todavía más exótico: el decaimiento doble β sin emisión de neutrinos.

El paso previo para descubrir el segundo fenómeno que acabamos de describir es detectar el decaimiento doble β corriente con emisión de dos neutrinos. Esto es precisamente lo que se ha conseguido gracias a XENON1T, que está en la laboratorio Gran Sasso en Italia.

El caso que han registrado es el del xenon-124 (54 protones y 70 neutrones) transformándose en teluro-124 (52 protones y 72 neutrones) mediante esta captura de dos electrones. El xenon-124 no puede decaer por decaimiento β simple porque no se cumpliría la conservación de la energía. Así que lo tiene que hacer por el altamente improbable decaimiento doble β. Lo sorprendente es que la vida media del xenon-124 es increíblemente larga:

1,8 × 10²² años. Es decir, 18000000000000000000000 años, que es muchos órdenes de magnitud superior a la edad actual del Universo (13800000000 años).

Los investigadores de la colaboración XENON han podido observar este fenómeno, y vivir para contarlo, porque no han observado sólo un átomo de xenon, sino muchos a la vez. Recordemos que un número de Avogadro de átomos es 6,022140857(62) ×10²³. Así que, si se observa un número de Avogadro de átomos de xenon-124, se tendrán eventos de decaimiento doble β que podremos observar en un tiempo razonable.

«Vimos realmente este decaimiento suceder. Es el más largo y lento proceso que haya sido observado directamente y nuestro detector de materia oscura fue lo suficientemente sensible para medirlo. Es sorprendente que que hayamos sido testigos de este proceso.», dice Ethan Brown, coautor del artículo correspondiente.

Los electrones que son absorbido provienen de la capa más interna de los electrones del átomo que rodean al núcleo. Así que se crea un hueco en dicha capa. Los demás electrones caen en cascada para rellenar ese hueco y que el átomo alcance el estado fundamental (el estado de mínima energía posible). Esas transiciones tienen asociadas la emisión de fotones de rayos X y de electrones Auger, que es precisamente lo que se registran los instrumentos de XENON-1T. Estos eventos fueron registrados en 2017 y en 2018 durante el rutinario trabajo de tratar de detectar partículas de materia oscura (sin éxito).

En el pasado ya se tenían pruebas del decaimiento &doble;, tanto en experimentos con kripton-78, como en estudios geoquímicos sobre bario-130. Pero este es una detección directa y, además, de un evento altamente improbable.

Con este experimento XENON-1T sólo se pueden observar cuatro tipos de decamiento β doble, los correspondientes a xenon-124, xenon-126, xenon-134 y xenon-136.

La colaboración XENON cuenta con más de 160 investigadores de Europa, EEUU y Oriente Medio y desde 2002 ha operado tres etapas sucesivas cada vez más sensibles en las que se ha ido incrementando la cantidad de xenon. En la actualidad se está incrementado la masa de ese gas hasta que triplique la de XENON-1T, lo que mejorará la sensibilidad del detector en un orden de magnitud.

Desde el punto de vista práctico, lo interesante del estudio es que este tipo de eventos permite extraer información de la estructura nuclear, en concreto en forma de la matriz de elementos, que permite mejorar los modelos nucleares o ponerlos a prueba. Además, la vida media de esta desintegración permitiría medir la masa de los neutrinos de forma directa, pues las estimaciones actuales de la masa de los neutrinos son indirectas y con mucho margen de error.

Por otro lado, hay experimentos que tratan de observa el decaimiento doble β sin emisión de neutrinos. Si se consiguiera sería un logro muy interesante.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Foto: XENON Collaboration.