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» » » Los misterios de la materia oscura: un auténtico juego de sombras

Lejos de arrojar alguna nueva luz sobre la materia oscura, nuestros primeros atisbos experimentales sobre esta elusiva sustancia lo único que han hecho es profundizar en su mística.

Es preocupante la búsqueda de esta materia perdida del universo. En primera instancia, no existe. En las profundidades de la tierra, varios experimentos han servido como hervidero de posibles avistamientos de la materia oscura, pero hasta ahora resulta invisible lo que se cree que representa alrededor del 85% de toda la materia del cosmos. Detectar la materia oscura sería un gran triunfo.

Sin embargo, cualesquiera esperanzas de esta naturaleza cuyos primeros atisbos parecían revelar han sido completamente frustradas. El problema es que la materia oscura aparece como cosas distintas en diferentes detectores. Parece más pesada en un detector que en otro, y parece más dispuesta a interactuar en un experimento que en otro. En el caso más extremo, se muestra en un solo instrumento, pero no en otro, incluso, cuando en ambos se trate un material idéntico y estén situados prácticamente al lado en el mismo laboratorio subterráneo.

"La situación actual es muy confusa", admite Juan Collar, de la Universidad de Chicago, jefe del experimento sobre materia oscura CoGeNT, con sede en el Soudan Underground Laboratory en Minnesota. Se trata de ver algo, entre las cientos de cosas, donde cada una de ellas podría ser una partícula de materia oscura impactando en el detector. Pero si el CoGeNT y otros experimentos, están realmente viendo la materia oscura, entonces no es lo que nadie pensaba.

Necesitamos la materia oscura. Para empezar, es una forma de pegamento cósmico que une nuestra galaxia entre sí y proporciona la fuerza gravitacional necesaria para que las galaxias se agrupen alrededor unas de otras. Si la materia oscura no existe, significa que nuestra comprensión de la gravedad en las grandes escalas está equivocado. Esto es impensable para la mayoría de los astrónomos, que siguen poniendo sus esperanzas en la materia oscura y en las observaciones de la forma en que se mueven y giran las galaxias para precisar sus propiedades.

Es más, la materia oscura es el eslabón perdido de nuestro intento de ir más allá del modelo estándar de la física de partículas. El modelo estándar no puede explicar la masa de las partículas ordinarias, y si bien, puede describir las tres fuerzas de la naturaleza como un intercambio de partículas "mensajeras", no ha logrado hacerlo con la cuarta fuerza, la gravedad. Para hacerlo, los teóricos postulan que aún no han sido descubiertas las partículas que juegan el papel más importante en la interacción de la materia ordinaria en las temperaturas extremas que había justo después del Big Bang, pero que ahora ha perdido la mayor parte de su potencia.

Tanto la astronomía como la física de partículas necesitaban identificar más partículas para dar sentido a las observaciones, y los teóricos empezaron a calcular qué podrían ser estas entidades. Se centraron en las partículas masivas de interacción débil, o WIMP, una lenta entidad, con una masa de alrededor de 100 gigaelectronvoltios (GeV), o sea, 100 veces la de un protón. Esto ofrecía una coincidencia tan sorprendente que parecía francamente milagrosa.

Regresando 13,7 mil millones de años hacia el Big Bang, se puede calcular la densidad de la materia oscura presente, simplemente con la masa del WIMP y su capacidad de interactuar con la materia ordinaria. Se podía ajustar esta masa, y suponiendo que la materia oscura interactúa a través de la fuerza débil, los físicos podían predecir con exactitud, la cantidad de materia oscura que los astrónomos dijeron que necesitaban para la formación de las galaxias. El acuerdo se conoció como el milagro WIMP.

Podríamos seguir estando engañados. Pero "resulta que el milagro WIMP no era tan milagroso como se creía", apunta Jonathan Feng, un teórico de la materia oscura de la Universidad de California, en Irvine.

La primera evidencia de que algo andaba mal fue en 2008, cuando el experimento DAMA, en el laboratorio subterráneo Gran Sasso, en Italia, informaron de haber visto algo que podría ser la materia oscura.

Todos los experimentos de materia oscura se realizan bajo tierra, para que las capas de rocas puedan bloquear los rayos cósmicos, fragmentos de átomos que han sido acelerados a velocidades enormes por estrellas moribundas u otras exóticas causas. No obstante, los rayos cósmicos nos atraviesan con una regularidad alarmante. La tarea de la mayoría de los detectores de materia oscura es avistar cualquier excéntrico impacto que no pueda ser explicado como rayos cósmicos o radiactividad natural.

El equipo de DAMA tomó un rumbo diferente. En lugar de buscar la aguja en el pajar universal, cogieron todo lo registrado por sus detectores de yoduro de sodio y miraron las variaciones en las tasas de detección, ya que cada año progresaba. Ellos razonaron que los rayos cósmicos podían zigzaguear por el espacio en direcciones al azar y, por tanto, llegar a una tasa constante a lo largo de todo el año. Igualmente sería cierto para cualquier tipo de radiactividad.

Pero los investigadores esperaban ver variaciones estacionales en la señal de materia oscura, porque la velocidad a la que la Tierra se mueve a través del circundante mar de materia oscura cambia en función de la dirección del movimiento. Como resultado, la cantidad de partículas de materia oscura que golpea la Tierra debería aumentar en junio, cuando el planeta se está moviendo a través de la galaxia en la misma dirección que el sol, y la caería en diciembre, cuando se mueve en la dirección opuesta. En el equipo de DAMA afirmaron que habían visto una modulación anual coherente con esta imagen.

Pero pronto apareceió una mejor forma de detectar la materia oscura. Los resultados de otro experimento Gran Sasso llamado XENON100, que utiliza xenón líquido, parecía excluir las partículas de materia muy oscura que DAMA había sugerido. Otros resultados se unieron a XENON100. El año pasado, de nuevo cambiaron las tornas. Primero, el equipo CoGeNT, que utiliza un detector de germanio subterráneo, anunció el avistamiento de una modulación anual similar a la de DAMA. Después, un tercer experimento en el Gran Sasso, conocido como CRESST, informó una serie de detecciones posibles.


Desterrado del frío

Es cierto, DAMA, CoGeNT y CRESST no estaban de acuerdo en lo que veían. "Todo está muy cerca, pero no hay superposición real", decía Collar. Sin embargo, todos apuntaban a una partícula de materia oscura demasiado ligera. Lejos de ser pesadas, las partículas WIMP estaban resultando ser animados contrapesos, con una masa de 10 GeV, sólo una décima parte de lo esperado.

Pero las detecciones en conflicto no son el único problema. Las observaciones de galaxias enanas están provocando que un creciente número de astrónomos cambiaen su opinión acerca de las propiedades que ellos creían de debia tener la materia oscura. La idea es que los WIMP no llegaban a lo que requería.

Y aún más problemas han llegado por cortesía del Gran Colisionador de Hadrones del CERN, cerca de Ginebra, en Suiza. Si nuestra comprensión de la materia oscura es correcta, entonces debería ser posible hacer colisiones de WIMP de alta energía en el LHC. Hasta el momento no es posible. Con los WIMP tal y como los conocemos parece imposible.

"Se pueden hacer todos los ajustes de la teoría y ver si pueden encajar las detecciones, pero en el fondo no es nada factible", considera Feng. Así que ¿no sería hora de abandonar ya los WIMP?

Los cálculos de Feng muestran que todavía puede haber una densidad correcta de la materia oscura en el universo, si se reduce la masa de las partículas y se aumenta su capacidad de interactuar. Esto también aumentaría la posibilidad de diferentes tipos de partículas de materia oscura. "Hay muchas direcciones donde ir una vez que empiezas a pensar más allá de los WIMP", comenta.

Durante mucho tiempo, el rival de los WIMP por coronar la materia oscura es el axión. Esta hipotética partícula podría ayudar a explicar por qué ciertas reacciones de fuerza débil dominan sobre los demás y por qué hay más materia en el universo que antimateria.

En vista de ello, los axiones suenan prometedores. Sin embargo, también son de movimiento lento, y por lo tanto los axiones son etiquetados junto a los WIMP como la "fría" materia oscura. El problema con la materia oscura de cualquier tipo, es que estamos empezando a tener reservas acerca de su existencia.

Siendo la forma dominante de materia en el universo, la materia oscura debería esculpir la forma de las galaxias. Así que, mirando el número de galaxias en el universo y su tamaño, deberíamos ser capaces de aprender acerca de las propiedades de la materia oscura. "El problema que la fría materia oscura enfrenta, es que no se puede explicar la ausencia de estructuras a pequeña escala en el universo", señala Héctor José de Vega, del Laboratorio de Física Teórica y Alta Energía de París, en Francia.

Con escala pequeña, él se refiere a las galaxias enanas. Las simulaciones con la fría materia oscura predice de decenas a cientos de veces más galaxias enanas de las que nadie pueda encontrar. La razón es que la fría materia oscura se aglomera entre sí con gran facilidad, debido a su momiento lento, y por ello, no puede resistir su propia atracción gravitacional. Como el poder de computación ha crecido, nuestras simulaciones son cada vez más finas y predicen las nubes grumosas de materia oscura fría del tamaño del sistema solar. Sin embargo, aún no hay evidencia alguna de ninguna subestructura.

"Estos problemas se conocen desde hace ya 20 años, pero están viniendo a peor a medida que las observaciones mejoran", aduce H. J. de Vega.

Él y sus colegas están discutiendo la necesidad de un movimiento más ligero y rápido de las partículas: la "caliente" materia oscura. Estas partículas no tendría más de una milésima parte de la masa de los WIMP. Por lo que se resistiría a agruparse en escalas más pequeñas y no se espera que produzcan tantas galaxias enanas. "Se están realizando rápidos progresos en las simulaciones", indica De Vega. "Seguramente vamos a oir hablar mucho más sobre la caliente materia oscura en el futuro."

¿Qué hace exactamente la caliente materia oscura? La mejor opción hasta el momento es la hipótesis de un tipo de neutrino, conocido como el neutrino estéril, debido a su renuencia a interactuar con la materia normal, salvo con la gravedad (a diferencia de los neutrinos normales, que también interactúan con la fuerza nuclear débil). Los neutrinos estériles también podrían explicar por qué hay más materia que antimateria en el universo.

Así que ya tenemos al nuevo chico en el bloque que algunos estaban reclamando para hacer el trabajo: los "átomos oscuros". No sólo podrían explicar la falta de galaxias enanas, es incluso posible, dicen sus inventores, que podrían explicar las discrepancias entre los experimentos de materia oscura.

Christopher Wells, del Houghton College de Nueva York, y sus colegas, empezaron a preguntarse si se podrían cuadrar los resultados, aparentemente contradictorios, de los experimentos subterráneos. Ellos vieron que podría ser en el caso de que la materia oscura no fuese una única partícula, sino el equivalente oscuro de un átomo de hidrógeno, un oscuro electrón orbitando alrededor de un oscuro protón.

Los átomos ordinarios pueden cambiar sus niveles de energía bajo condiciones adecuadas, ya sea absorbiendo o emitiendo un fotón. Un átomo oscuro podría usar fotones oscuros a hacer lo mismo cuando golpea contra un detector de materia oscura, dependiendo de la composición química del detector.

En el caso del yoduro de sodio que utiliza DAMA, el átomo oscuro cambiaría su energía y sería visto. Sin embargo, el xenón no tendría el mismo efecto en un átomo oscuro, y por tanto, la partícula pasaría desapercibida para el XENON100.

Es muy pronto para los átomos oscuros, y Wells admite que no ha descubierto cómo el actual panteón de las teorías de la física podrían justificar su existencia, aunque sugiere que la teoría de cuerdas podría ofrecer algunas pistas. "Sabemos que la naturaleza nos dió los átomos ordinarios, la pregunta es si podría hacerlo de nuevo."

Un estancamiento penoso

Lo que resulta prometedor acerca de los átomos oscuros es que podrían explicar la ausencia de galaxias enanas en nuestras observaciones. Debido a que los átomos oscuros emiten o absorben fotones oscuros, el universo podría estar lleno de luz invisible y oscura que interactúara constantemente con las nubes de átomos oscuros, aumentando su temperatura e inflándose. Esto evitaría que las galaxias enanas se formaran. "Por el momento sigue siendo un cálculo en bruto", reconoce Wells, que ha comenzado a trabajar en simulaciones para probar mejor esta idea.

Sin embargo, muchos investigadores no están dispuestos a abandonar los WIMP todavía. "No encuentro que los argumentos acerca de las galaxias enanas sea muy convincente", replica Dan Hooper, del Laboratorio Nacional Fermi en Batavia, Illinois. "Yo sigo apostando aún por los WIMP."

Él sugiere que las galaxias enanas que faltan podrían estar por ahí, aunque sean invisibles, porque están hechas exclusivamente de materia oscura. Una manera de encontrarlas sería buscar los rayos gamma, que se deben producir cuando los chocan y se desintegran los WIMP. El Telescopio espacial Fermi de la NASA ha buscado en esos rayos gamma dos veces y hasta ahora no han encontraron nada. Eso no significa necesariamente que los WIMP se pierdan, sólo que no están de la forma esperada. Y Hooper señala que los resultados no descartan la baja masa similares a los WIMP para las que puedan haber sido vistas en los experimentos subterráneos.

Collar etiqueta la actual situación de estancamiento como penosa y reconoce que es probable que empeore más que mejorar. Ahora que hemos empezado a ver algo, ya sea que la astrofísica está mal, o que la física de partículas está equivocada, o que toda nuestra comprensión de la materia oscura es errónea.

Todos coinciden en que el camino a seguir es reunir más y mejores datos. Para ello, necesitamos detectores más sensibles de oscura materia en la Tierra, mejores observaciones astrofísicas y más experimentos con aceleradores de partículas.

Una nave espacial ayudará al telescopio de la Agencia Espacial Europea Planck. Lanzado en 2009, está tomando las imágenes más exactas que se pueden tomar del fondo cósmico de microondas (CMB). Las sutiles variaciones en el CMB son sensibles a la tasa de expansión del universo, que a su vez está determinada por la sopa de partículas presentes en el cosmos.

"Planck es realmente importante en esto", dice Feng. "Podría decirnos con seguridad si hay más partículas de lo que hemos detectado".

Ya hay indicios, desde la nave espacial WMAP de la NASA, de que el CMB muestra las huellas de partículas no detectadas. Podrían ser neutrinos estériles, o fotones oscuros incluso. Planck tiene el potencial de convertir estas sugerencias en descubrimientos sólidos.

Pero cuando se trata de averiguar cuál es la realidad la materia oscura actualmente, no será un simple momento eureka. En su lugar será un trabajo de todos reunir las piezas del rompecabezas.

"Esto es como el cuento del elefante", apunta Feng, refiriéndose a la parábola india en la que en un grupo de ciegos cada uno toca diferente partes de un elefante, y luego comparan sus notas para tratar de averiguar a que bestia se parece. "Todos estamos tocando algo distinto de la materia oscura. Esperemos que en algún momento, seamos capaces de ponernos todos juntos en el camino correcto y descubrir su faz."

Esperemos que así sea. El problema es que en algunas versiones de la parábola, las opiniones entran en conflicto y nunca se resuelven y la verdad nunca queda al descubierto.

  • Referencia: NewScientist.com, 9 de enero 2012, por Stuart Clar
  • Autor: Stuart Clark es consultor de la revista New Scientist y autor de "The Sky's Dark Labyrinth" El laberinto oscuro del cielo (Polygon)
  • Imagen: En Wikipedia, Defining Dark Matter and Energy - Simplified Chemical Structure of the Earth Scheme, autor: Madonna-Megara Holloway

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Editor del blog Pedro Donaire

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