El fenómeno más insólito que ha vivido la humanidad se da, en promedio, cada un billón de veces la edad del universo

Corría el año 2019 cuando, en un laboratorio subterráneo ubicado a un kilómetro y medio bajo el macizo del Gran Sasso en Italia, un detector de materia oscura registró un suceso impresionante: la desintegración radiactiva de un átomo de xenón-124. Este es el proceso más lento (y por ende, más raro) del que se tiene constancia.

Un verdadero golpe de suerte cósmica. El xenón-124 posee una semivida de 1,8 × 10²² años. Eso equivale a un 18 seguido de 21 ceros: 18,000 trillones de años. Para dar una idea, el universo cuenta con «tan solo» unos 13,800 millones de años, lo que significa que el proceso observado por los científicos italianos en 2019 dura un billón de veces más que la misma edad del universo, según detallaron los investigadores en la revista Nature.

Un vistazo al contexto. La «semivida» es una medida estadística similar a la vida media, pero define específicamente el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de una sustancia radiactiva. Por ejemplo, el uranio-238 tiene una semivida de 4,500 millones de años. En el caso del xenón-124, la semivida indica cuánto tiempo pasará hasta que la mitad de un gran conjunto de átomos se desintegre y se convierta en teluro-124.

Para un átomo individual, desintegrarse es un acontecimiento completamente aleatorio. Un átomo específico podría desintegrarse en el siguiente segundo o continuar estable por un tiempo mucho mayor que su semivida. Para un conjunto de átomos, la semivida es una predicción muy precisa de su comportamiento colectivo. Si se tuviera un recipiente con una cantidad considerable de átomos de xenón-124, sería necesario esperar 18,000 trillones de años para que la mitad de ellos se transformen.

¿Cómo lograron esto? Utilizaron un contenedor muy grande, que albergaba 3.2 toneladas de xenón líquido ultrapuro. Este fue parte del experimento XENON1T en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, situado en el centro de Italia. Este detector de materia oscura fue diseñado para la detección directa de las hipotéticas Partículas Masivas de Interacción Débil (WIMP, por sus siglas en inglés).

El detector fue concebido con una sensibilidad extrema y ubicado bajo una montaña para protegerlo de la radiación cósmica. Sin embargo, lo que detectó no fue materia oscura, sino el leve indicio de un átomo de xenón-124 descomponiéndose; transformándose en teluro-124. El evento más insólito jamás registrado.

No es exagerado decirlo. Fue realmente un hito en la física experimental que no debió haberse observado ni en un billón de vidas del universo. Aunque la probabilidad de que un átomo de xenón-124 se desintegre en un año es casi nula, el detector contenía cerca de 10,000 billones de billones de átomos de xenón en las dos toneladas de volumen analizadas.

Con una cantidad tan abrumadora de «billetes de lotería», la posibilidad de que al menos uno se desintegrara durante el periodo de observación aumentó considerablemente. Durante los 177 días de recopilación de datos, el equipo observó no uno, sino un total de 126 eventos que luego confirmaron 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 observaron exactamente? Un átomo de xenón-124 se desintegra cuando su núcleo simultáneamente captura dos electrones de las capas más internas. Esto transforma dos protones en neutrones, convirtiendo al átomo en teluro-124. No obstante, la energía liberada es llevada por 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 ocurren cuando los electrones de las capas superiores del xenón-124 caen para llenar los espacios dejados por los dos electrones capturados. Esta es la firma energética, el «destello» que delata el evento más raro del universo.

¿Ha valido la pena? Mucho más de lo que podría pensarse. Aunque no se haya tenido éxito con la materia oscura, la detección demostró que XENON1T puede captar señales increíblemente débiles y raras, validando su diseño. Además, la medición proporcionó datos experimentales para evaluar y mejorar los modelos teóricos que describen la estructura y estabilidad de los núcleos atómicos.

Esta observación es un ensayo general para una meta todavía más ambiciosa: la búsqueda de capturas de doble electrón sin neutrinos. Si se detectara este fenómeno hipotético, demostraría que los neutrinos son sus propias antipartículas (conocidas como partículas de Majorana). Esto explicaría por qué el universo está compuesto de materia y no de antimateria.

Imagen | LNGS