Ens passem la vida mirant el cel, fascinats per la brillantor dels planetes i dels estels, sense adonar-nos que el veritable motor de l'Univers és invisible. Des de principis dels anys 30 del segle passat, la ciència conviu amb un fantasma còsmic: la matèria fosca, aquesta substància misteriosa que representa el 85% del total de matèria de tot el cosmos i que es nega a revelar la seva identitat. No emet llum, no la reflecteix, no la podem tocar i gairebé no interactua amb la resta de matèria normal. Sabem que hi és només perquè la seva gravetat sosté les galàxies com un fil invisible, com ho explicava fa gairebé un any en l’article «Llum sobre la matèria fosca?».
El passat 1 de setembre, es va desvelar públicament un senyal que arriba de les profunditats de la Terra i que ho pot canviar tot.
Però el passat 1 de setembre, es va desvelar públicament un senyal que arriba de les profunditats de la Terra i que ho pot canviar tot. L'escenari d'aquesta història no és un observatori dalt d'una muntanya, ni en òrbita al voltant de la Terra, sinó tot el contrari. Ens hem de traslladar a una antiga mina d'or a Dakota del Sud, als Estats Units, la Mina Homestake, que va ser transformada després de la seva explotació en un laboratori de recerca subterrani, el Sanford Underground Research Facility. Allà baix, a un quilòmetre i mig sota les muntanyes de les Black Hills, s’obté un blindatge natural perfecte per protegir-se del soroll dels raigs còsmics, i és, doncs, el lloc ideal per detectar-hi partícules que interactuen poc amb la matèria. Ja als anys 60, Ray Davis i John Bahcall van instal·lar-hi l’experiment que va permetre la primera detecció exitosa de neutrins provinents del Sol i va valdre el premi Nobel a Davis el 2002.
Ara hi opera, des del 2021, l’experiment LUX-ZEPLIN, nascut de la col·laboració de més de 30 institucions d’arreu del món i hereu del LUX que va funcionar fins al 2016. Es tracta del detector de matèria fosca més sensible del món, un colossal tanc cilíndric que conté 10 tones de xenó líquid mantingut a temperatures de congelació. Aquest tanc està envoltat, a més, d’un líquid centellejador enriquit amb gadolini i d’un quart de milió de litres d’aigua ultrapura. La premissa teòrica de l'experiment és tan senzilla d'explicar com complexa d'executar: si una partícula de matèria fosca creua el tanc i topa contra el nucli d'un àtom de xenó, provocarà un minúscul esclat de llum i l'alliberament d'uns pocs electrons. Els fotons de la llum són capturats pels centenars de fotomultiplicadors que envolten el xenó, mentre que els electrons són dirigits per un camp elèctric cap a la capa superficial de xenó gasós on, en entrar-hi en contacte, també emeten una llum que capten altres fotomultiplicadors. Aquests dos esdeveniments lluminosos, més el retard entre tots dos, permeten posicionar amb precisió en quina part del tanc ha tingut lloc la col·lisió. A més, permeten calcular l’energia de la col·lisió entre la partícula de matèria fosca i el nucli de xenó i, de retruc, la massa de la partícula que l’ha causada.
I aquí és on salta la sorpresa. Si bé fins ara els experiments similars posats en marxa des de principis dels 2000 no havien detectat mai res, l'equip internacional de científics del projecte va anunciar en una conferència al Japó que havia detectat una única interacció de partícules anòmala després d’analitzar les dades de 220 dies de funcionament. Aquest "esclat" solitari va tenir lloc el 16 de juny del 2023 i es va enregistrar amb uns 248 keV d’energia, un rang mitjà, al bell mig del detector. Per què han trigat més de 3 anys a anunciar el descobriment? Doncs perquè des que es va detectar el senyal, els investigadors l'han estat analitzant exhaustivament, amb la clara intenció de desmuntar la seva pròpia troballa. Han recalculat el soroll de fons, la radiació natural dels materials, qualsevol interferència coneguda... i res ho explica de manera convincent. Com deia Aaron Manalaysay, un dels físics del Lawrence Berkeley National Laboratory, és la primera vegada en tota la seva carrera que un esdeveniment anòmal sembla totalment vàlid en tots els sentits.
Podem afirmar, doncs, que hem detectat una partícula de matèria fosca per primer cop? Cal tenir encara prudència, i així també ho exposa l’equip del LUX-ZEPLIN. En el món de la física de partícules, per poder cantar victòria i anunciar un descobriment històric, es requereix un llindar estadístic conegut com a "5-sigma". Això equival a tenir una probabilitat entre 3,5 milions que el senyal sigui fruit de la casualitat. L'anomalia actual del LUX-ZEPLIN es troba en 2,6-sigma. Dit de forma planera: hi ha aproximadament un 0,5% de possibilitats que tot plegat sigui un simple miratge, un caprici del soroll de fons que s'ha colat a la festa. Però també dona un màxim d’un 3,4-sigma sobre la varietat de models de matèria fosca que s’han intentat ajustar al senyal.
La matèria fosca que més s’hi ajustaria seria una partícula d’un mínim de 200 GeV/c², amb una millor coincidència per a una massa de 1000 GeV/c², és a dir, 1000 vegades la massa d’un protó o d’un neutró. Curiosament, o potser no tant, aquest rang de masses es correspon amb l’estudi de Tomonori Totani sobre l’excés de radiació gamma d’una energia de 20 GeV, que concloïa que provenia de les col·lisions de matèria fosca d’una massa de 500 GeV/c². Tot i així, el resultat és un trencaclosques teòric: el rang de massa és molt més alt del que s'esperava segons les teories clàssiques, fet que ens obligaria a redefinir el pes i la naturalesa d'aquestes esquives partícules, i que apunta cap a WIMPs (partícules massives que interactuen feblement) molt més massives del previst.
No estem davant d'una certesa, sinó davant d'una pista formidable i única. El LUX-ZEPLIN continua funcionant i acumulant dades. Altres experiments similars, com el XENON al Gran Sasso (Itàlia) o el PANDAX a la Xina, també estan buscant un senyal en els mateixos nivells d’energia. Amb el temps, els nous mesuraments faran que a aquest esclat de llum se n’hi sumin d’altres i guanyi força fins a confirmar-se, o bé es vagi difuminant com una simple anècdota estadística. Però la certesa que ens deixa ara aquest anunci és una altra: la ciència és meravellosa precisament per això. Perquè un sol "blip" digital perdut en un oceà de xenó líquid, capturat a un quilòmetre i mig sota terra, és capaç d'il·luminar les preguntes més profundes que ens fem quan mirem el cel. Seguim a les fosques, sí, de vegades, però potser mai hem estat tan a prop d'encendre l'interruptor.