Tal vez pueda arrojar algo de luz sobre la parte oscura de la cuestión. Trabajé con un equipo de mi universidad para construir un detector de materia oscura, así que estoy al tanto de algunas de las investigaciones de vanguardia que se realizan en ese frente. Primero comenzaré describiendo por qué pensamos que la materia oscura ya existe, luego pasaré a cómo estamos tratando de encontrarla.
—-
Los primeros datos que indican la existencia de materia oscura provienen de datos astronómicos de galaxias giratorias distantes. A simple vista, o más precisamente, a un telescopio capaz de detectar luz a través de todo el espectro electromagnético, las galaxias lejanas están girando más rápido de lo que deberían. Para una galaxia espiral, la velocidad de rotación en cualquier punto de la espiral es relacionado tanto con la distancia del punto desde el centro de la galaxia como con la cantidad de masa presente en la galaxia. Dada la velocidad de un punto en la galaxia y el radio hasta ese punto, los astrónomos pueden deducir la cantidad total de masa presente. Sin embargo, los astrónomos también pueden estimar la cantidad de masa simplemente observando la cantidad total de luz emitida por las estrellas que constituyen la galaxia. Como resultado, hay una gran discrepancia entre las dos masas calculadas. Para que una galaxia dada rote tan rápido como lo hace, necesitaría aproximadamente de diez a veinte veces más masa que la que observan los físicos y los astrónomos por la cantidad de luz que irradia.
Y sin embargo, esa masa no se encuentra en ninguna parte. Simplemente no hay materia luminosa, o materia que interactúe con la luz, para contribuir con la influencia gravitacional y hacer que las galaxias giren tan rápido como lo hacen. Pero la fuerza gravitacional adicional debe provenir de alguna parte. Debe haber una cantidad de masa no contabilizada que parece ser de cinco a diez veces más abundante que los protones, neutrones y electrones ordinarios. Esta cantidad invisible de masa que no interactúa ni produce luz es “materia oscura”.
De hecho, este misterioso volumen de materia no podría ser nada. Es posible que la teoría general de la relatividad, la teoría predominante de la gravedad, se desmorone a las distancias cósmicas que miden los telescopios. Podría ser que las masas necesarias para producir tales velocidades de rotación sean, de hecho, exactamente lo que los físicos están observando, y la discrepancia solo existe debido a la insuficiencia de sus ecuaciones. Pero esto parece poco probable. La relatividad general ha sido rigurosamente probada y corroborada experimentalmente desde su creación hace un siglo. Además, existe una mayor evidencia de la materia oscura en lo que los físicos llaman el Fondo Cósmico de Microondas, que es el resplandor de la radiación del Big Bang.
- ¿Cómo puede tener forma el espacio?
- ¿Cómo se hizo tan popular la teoría de cuerdas?
- ¿Cuál es la explicación básica de la teoría de cuerdas?
- ¿Cómo se comporta un agujero negro en la teoría de campo unificado de 5 dimensiones de Kaluza?
- ¿La teoría de cuerdas ayuda a explicar por qué las cuerdas como auriculares y cables eléctricos parecen enredarse?
Entonces, si la existencia de materia oscura es lógicamente sólida, ¿en qué consiste? Los físicos han descartado a todos los sospechosos habituales; es decir, todas las partículas que constituyen el Modelo Estándar de la física de partículas. El modelo estándar describe completamente las interacciones de todas las partículas conocidas como quarks, electrones, neutrinos y los diversos bosones. La materia oscura no puede consistir en átomos normales, ya que los constituyentes de los átomos interactúan con la luz y la materia oscura evidentemente no lo hace, ni puede consistir en neutrinos o cualquier partícula mediadora de fuerza. Por lo tanto, la materia oscura debe constituir una nueva clase de partículas hasta ahora no descubiertas. Y dado que la materia normal consiste en una variedad de partículas como protones y electrones, no sería irrazonable pensar que la materia oscura en sí incluye una variedad de partículas elementales. Por lo que sabemos, la materia oscura podría consistir en una clase completamente nueva de partículas que interactúan a través de una clase completamente nueva de fuerzas fundamentales, formando así una clase completamente nueva de estructuras cósmicas.
Sin embargo, a pesar de las posibles características exóticas que puede tener la materia oscura, los físicos solo pueden esperar encontrarla a través de las propiedades convencionales “ordinarias” que ya entienden. Dado que la materia oscura no interactúa con la luz, no es irrazonable suponer que no interactúa en absoluto a través de la fuerza electromagnética. Por lo tanto, para interactuar con la materia normal, debe ser a través de las otras tres fuerzas fundamentales conocidas: la gravedad, la fuerza nuclear débil responsable de la desintegración radiactiva y la fuerza nuclear fuerte responsable de mantener unido el núcleo atómico. Sobre la base de esta restricción, los físicos teóricos han postulado que la materia oscura podría ser una WIMP o una partícula masiva de interacción débil. Los WIMP son partículas hipotéticas predichas por la supersimetría, una extensión especulativa del modelo estándar, que solo interactúa a través de la gravedad y la débil fuerza nuclear.
Muchos de los experimentos destinados a detectar la materia oscura hacen uso de las propiedades predichas de los WIMP. Dado que los WIMP tienen la hipótesis de interactuar a través de la fuerza nuclear débil, su interacción con la materia ordinaria tendría lugar a escalas de pequeña longitud en el orden de un núcleo atómico. Como tal, muchos de los experimentos diseñados para detectar directamente la materia oscura se centran en las colisiones de WIMP con otros núcleos. Uno de estos experimentos es la Búsqueda de materia oscura criogénica, que mide las vibraciones de los núcleos de germanio después de un retroceso de germanio-WIMP. Dado que la vibración es sutil, los átomos de germanio se enfrían cerca del cero absoluto, y el calor producido por la vibración se toma como la firma de un evento. Otra clase de experimentos de detección directa implica el uso de gases nobles líquidos altamente puros, como el argón o el xenón. En estos experimentos, los retrocesos WIMP-xenón excitan los núcleos de xenón a energías más altas. Cuando los núcleos caen de este estado excitado al estado fundamental, se emite un fotón. Este fotón se detecta directamente o a través de una cascada de electrones ionizados de otros átomos de xenón a medida que el fotón se mueve a través del volumen del líquido. Según el número de eventos registrados y el tamaño del volumen de xenón líquido, los físicos pueden determinar la masa aproximada del WIMP, que sería la firma única de la partícula. Hasta el momento, los dos experimentos principales de xenón líquido, el Proyecto de Materia Oscura XENON y el Detector de Xenón Subterráneo Grande (LUX), han arrojado resultados nulos para WIMP de baja masa. Es decir, si existe el WIMP, su masa es mayor que las escalas de energía que se han explorado hasta ahora.
También existen experimentos dedicados a detectar indirectamente la materia oscura basándose en propiedades aún más especulativas de los WIMP. Si el WIMP responsable de la materia oscura es su propia antipartícula, entonces la supersimetría predice que su autoaniquilación produciría un exceso de rayos gamma, positrones y antiprotones de alta energía. La detección de este exceso es el propósito del Espectrómetro Magnético Alfa de la Estación Espacial Internacional, un instrumento diseñado para registrar los rayos cósmicos que vuelan por el espacio. A partir de mayo de 2013, AMS ha producido los datos más prometedores que sugieren la detección de materia oscura. Sin embargo, el instrumento aún tiene que discriminar entre las diferentes fuentes posibles de partículas de alta energía. Los pulsars, que son estrellas de neutrones de alta magnetización y giro rápido, también son capaces de crear los rayos cósmicos que AMS mide como un evento de aniquilación WIMP positivo.
Hasta el momento, la materia oscura se ha mantenido esquiva, pero los físicos ven poco motivo de preocupación. Los datos experimentales acaban de comenzar a dividir el rango de masas donde los WIMP pueden existir. Los detectores extremadamente sensibles están a solo unos años de distancia, ya que los equipos LUX y XENON están diseñando dispositivos que utilizarían más de una tonelada de xenón líquido. Además, la incapacidad de AMS para distinguir entre los eventos de aniquilación WIMP y los púlsares es solo temporal. Más datos de eventos de alta energía darían a los físicos la capacidad de determinar la fuente de los rayos cósmicos. De hecho, dentro de la comunidad física, parece haber un optimismo general de que la verdadera naturaleza de la materia oscura pronto saldrá a la luz. Como dice Samuel Ting, el Premio Nobel que diseñó el AMS, “es solo cuestión de tiempo, quizás meses o unos pocos años”.
–
Algunas cosas que debo mencionar: trabajé con el equipo de XENON descrito aquí desde junio de 2012 hasta mayo de 2013. Además, la mayoría de este texto fue sacado de una publicación más grande sobre materia oscura y su detección que escribí para una publicación de ciencia pop en mi universidad
Espero que esto ayude, y si lo desea, le proporcionaré recursos que pueden describir estos esfuerzos de detección con más detalles técnicos.
