La búsqueda de materia evasiva llega a su límite
Para la mayoría de los astrónomos, la materia oscura es tan real como las estrellas y los planetas. Rutinariamente construimos mapas de su distribución. Imaginamos galaxias como piezas de materia oscura con muchas intercaladas con materia luminosa. Entendemos la formación de la estructura cósmica y la evolución de todo el Universo como un todo desde el punto de vista de la materia oscura. Sin embargo, durante una década de búsquedas sofisticadas, nadie ha podido detectar directamente la materia oscura. Vemos la sombra proyectada por ella, pero no tenemos idea de lo que podría estar escondido en la mitad oscura del universo.
Definitivamente no se trata de objetos o partículas ordinarios: esta opción se ha descartado durante mucho tiempo. Los argumentos teóricos hablan a favor de un nuevo tipo de partículas que interactúan débilmente con la materia ordinaria. Una gran cantidad de tales partículas debe pasar a través de nuestro planeta en todo momento, y debemos esperar que algunas de ellas dejen un rastro. Los físicos cultivaron cristales, llenaron tanques criogénicos, los enterraron bajo tierra para excluir partículas ordinarias, y buscaron pequeños pulsos de calor y destellos de luz que deberían emitir algo que no habíamos visto antes. Y hasta ahora, los resultados no son alentadores. En Lead, Dakota del Sur, el experimento LUX corre una milla y media bajo tierra en una mina de oro abandonada. Y no encontré nada. En China, el experimento PandaX en el Laboratorio Subterráneo Jin-Ping se ejecuta en un túnel bajo una capa de piedra de 2,4 km de espesor. No encontró nada. En el túnel del camino cerca de Frejus en los Alpes franceses, el experimento EDELWEISS, que opera a una profundidad de 1.7 km, no encontró nada. Esta lista continúa.
Los resultados cero reducen rápidamente las áreas del espacio de parámetros en las que se puede ocultar la materia oscura. Debido a la aguda falta de datos, los físicos teóricos comenzaron a presentar teorías sobre partículas aún más exóticas, pero la mayoría de estos candidatos serían aún más difíciles de detectar. En cambio, uno podría esperar obtener partículas de materia oscura en el acelerador de partículas, y así sacar una conclusión sobre su presencia: al ver si la energía se perdió en las colisiones de partículas. Pero el Gran Colisionador de Hadrones hizo exactamente eso, y hasta ahora no ha encontrado nada como eso. Algunos teóricos sospechan que no hay materia oscura, y nuestra teoría de la gravedad, la teoría general de la relatividad de Einstein, nos ha desviado. GTR nos dice que las galaxias se volarían si no estuvieran unidas por materia invisible, pero tal vez esta teoría esté equivocada. Sin embargo, la relatividad general pasó todos los controles observables, y todas las teorías en competencia tienen fallas fatales.
El ochenta y cinco por ciento de toda la materia es desconocida para nosotros. Sobre todo, tememos que siempre sea así.
Aunque la mayoría de los experimentos no arrojaron nada, dos de ellos afirman haber descubierto materia oscura. Ambas declaraciones son extremadamente controvertidas, pero por varias razones. Pueden estar equivocados, pero merecen una cuidadosa consideración. Estos casos, al menos, demuestran la dificultad de encontrar materia oscura entre los colocadores de materia del espacio.
El detector de partículas DAMA / LIBRA en el Laboratorio Nacional Gran Sasso, ubicado a 1,4 km debajo de la superficie de una montaña en el norte de Italia, busca destellos de luz generados por partículas de materia oscura dispersadas desde los núcleos atómicos en un cristal de
yoduro de sodio . Él ha estado recopilando datos durante trece años y registró algo inusual. El número de detecciones de partículas aumenta y disminuye estacionalmente; el máximo es en junio y el mínimo es en diciembre.
Es este tipo de comportamiento lo que se puede esperar de la materia oscura. Se cree que forma una extensa nube que envuelve la galaxia de la Vía Láctea. Nuestro sistema solar en su conjunto se mueve a través de esta nube. Pero los planetas individuales se mueven a través de la nube a diferentes velocidades debido a su movimiento orbital alrededor del sol. La velocidad de la Tierra en relación con la nube propuesta experimenta un máximo en junio y un mínimo en diciembre. Esto determinaría la velocidad a la que las partículas de materia oscura vuelan a través de un detector ubicado en la Tierra.
Nadie niega que DAMA detecte la modulación estacional con una significancia estadística muy alta. Pero muchas otras fuentes de partículas también fluctúan debido a las estaciones, por ejemplo, los flujos de agua subterránea (que afectan la radioactividad de fondo) o la producción de partículas como los muones en la atmósfera. Según las últimas estimaciones, otros cinco experimentos en todo el mundo establecen limitaciones que no son consistentes con las afirmaciones de DAMA. La única forma de verificar los resultados es repetir el experimento con el mismo detector en otros lugares, y varios de estos experimentos ya se están preparando. Uno de ellos estará ubicado en el Polo Sur, donde los efectos locales estacionales están fuera de fase y difieren de los que existen en Italia.
El segundo indicio intrigante de la materia oscura provino de experimentos indirectos, no buscando partículas evasivas directamente, sino partículas secundarias que se suponía que debían generar al colisionar entre sí y la posterior aniquilación. En 2008, el detector
PAMELA (Payload for Antimatter / Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics), instalado en el satélite ruso
Resurs-DK , y creado por especialistas de Rusia, Italia, Alemania y Suecia, observó un inesperadamente grande El número de positrones, análogos de electrones en la antimateria, provenientes de las profundidades del espacio. La observación fue confirmada recientemente por un
espectrómetro alfa magnético ubicado a bordo de la EEI. Mientras tanto,
el telescopio gamma espacial Fermi informó sobre el resplandor disperso de los rayos gamma que se propagan desde el centro de la galaxia. Su forma corresponde a la materia oscura, esféricamente simétrica con respecto al centro de la galaxia, con una intensidad que aumenta hacia el centro.
Es casi demasiado bueno para ser verdad. Desafortunadamente, las observaciones de positrones y rayos gamma también pueden explicarse por estrellas de neutrones que giran rápidamente, púlsares de milisegundos. Los parámetros de los positrones no corresponden a candidatos adecuados para la materia oscura. Para tratar este caso, es necesario verificar si los positrones provienen de direcciones de estrellas de neutrones conocidas. Las fluctuaciones de los rayos gamma ya se han atribuido a los muchos púlsares débiles en el centro de la galaxia. Además, si los rayos gamma provenían de la materia oscura, los astrónomos tendrían que detectar una señal similar proveniente de las galaxias enanas vecinas, que tienen un volumen de materia oscura proporcionalmente mayor que el nuestro. No se detectaron tales señales.
La mayoría de los intentos de búsqueda se centran en los candidatos de partículas más simples, conocidos como
WIMP , que interactúan débilmente con partículas masivas. La palabra "débil" aquí tiene un doble significado: la interacción no es fuerte, y ocurre a través de la llamada.
interacción nuclear débil Dichas partículas son una extensión natural del Modelo Estándar en física de partículas. Sin siquiera saber todos los detalles, del adverbio "débilmente" puedes entender cuántas partículas de este tipo deberían estar en el universo. En la sopa prehistórica caliente del Big Bang, las partículas fueron creadas y destruidas naturalmente. Con la expansión del Universo, la temperatura cae y varios tipos de partículas, una tras otra, dependiendo de la masa, dejan de aparecer. Las partículas pueden continuar destruyéndose a una velocidad dependiendo de la fuerza de la interacción, hasta que se distribuyan muy raramente para chocar entre sí.
Dado el poder de la interacción WIMP, es posible realizar cálculos y descubrir que una cantidad observable de materia oscura debería aparecer en el caldero del Universo temprano. Las partículas resultantes deberían pesar cientos de veces más que el protón. De los cálculos asociados con el Modelo Estándar y la supersimetría, se deduce la existencia de una zona de parámetros adecuada para partículas de materia oscura: este hecho se llamó un "milagro WIM".
Pero probablemente este sea el caso cuando un hecho feo mata una hipótesis hermosa. La desesperación está creciendo entre los físicos, y ya están explorando opciones que antes se consideraban oportunidades improbables y de segunda categoría.
Quizás las partículas de materia oscura son extremadamente masivas. Existe un compromiso natural: cuanto más masiva es la partícula, menos se necesitan para igualar la masa total observada por los astrónomos, por lo que puede haber tan pocos que nuestros detectores no los noten. Los físicos necesitarán una estrategia de búsqueda completamente diferente, posiblemente relacionada con la influencia de estas partículas en las viejas estrellas de neutrones u otros objetos celestes.
Por el contrario, las partículas de materia oscura pueden ser demasiado claras para dejar rastros en nuestros detectores. Los físicos pueden usar el detector que ya tenemos disponible para su búsqueda: el Sol. El sol puede capturar partículas cuando se mueve a través de una nube galáctica de materia oscura. Las partículas pueden ser dispersadas por protones en el Sol y cambiar su retrato de temperatura. Esto afectará el movimiento turbulento de los vórtices de gas que se elevan, caen y se retuercen en las capas superiores del Sol. Y debemos detectar esto con la ayuda de la
heliosismología , una ciencia que estudia las perturbaciones que se propagan dentro del Sol y su efecto en su superficie, al igual que la sismología estudia los terremotos. Resulta que en heliosismología hay anomalías inexplicables que son difíciles de conciliar con el modelo estándar del Sol.
Si las partículas de materia oscura se acumulan en el sol, pueden aniquilarse en su núcleo. Esto conducirá a la aparición de neutrinos de alta energía que pueden ser vistos por detectores como
Super Kamiokande en el centro de Japón y
IceCube en el Polo Sur. Hasta ahora, no ha habido informes de eventos adecuados para este papel.
El ejemplo más extremo de una partícula liviana es un
axión , una partícula hipotéticamente de interacción débil, con una masa un billón de veces más pequeña que la de un protón. No estará completamente oscuro, pero interactuará con el campo electromagnético y podrá crear fotones de microondas dentro de los canales de fuertes campos magnéticos. Los experimentos que intentan detectar axion han estado funcionando desde la década de 1980, y no tienen más éxitos que los detectores WIMP.
Quizás una partícula oscura no es una partícula en absoluto, sino una "partícula", como dijo un teórico. Las no partículas son parientes lejanos del campo electromagnético, cuya energía no se divide en paquetes separados. Pueden dejar rastros indirectos en los datos del colisionador. Quizás la esencia de la materia oscura no sea la única solución. Después de todo, la materia ordinaria también consta de muchos tipos de partículas. La materia oscura también puede consistir en varios participantes, lo que complicará la búsqueda, ya que los supuestos signos de cualquier candidato particular para partículas serán borrosos. Quizás la materia oscura no interactúa en absoluto excepto la gravedad. Esto acercará aún más la vida de los experimentadores a una pesadilla.
En cierto sentido, estamos en una situación con la que los científicos sueñan. Las viejas ideas no funcionan y se requieren nuevas. Pueden aparecer debido al estudio de nuevos tipos de partículas, o podemos descubrir una nueva teoría consistente de la gravedad, que nos permite abandonar la materia oscura.
Pero la preocupación constante es que la naturaleza ocultó la nueva física donde no podemos encontrarla. Y aunque todavía no hemos agotado por completo los intentos de encontrar WIMP, los experimentos no son capaces de mucho más. Cuanto más sensibles se vuelven a la materia oscura, más sensibles son a las partículas de basura y no siempre pueden distinguir uno de otro. Al ritmo actual de desarrollo, en diez años estarán cegados por los neutrinos emitidos por el Sol, o por los rayos cósmicos que chocan con la atmósfera de la Tierra.
El sol puede ser un detector natural de materia oscura. Los astrónomos pueden detectar cambios en la estructura de las capas del Sol bajo la influencia de la materia oscura. La imagen en rojo muestra las áreas que se alejan de nosotros y en azul, las que se acercan.En este caso, aún podemos continuar con los intentos de detección indirecta. Una de las más prometedoras es la
matriz de telescopios Cherenkov , una colección de más de cientos de telescopios ubicados en Chile y en la isla de
Palma . Entre otras tareas, buscará rayos gamma que aparecen en la aniquilación de partículas de materia oscura en nuestra y otras galaxias. Pero en algún momento, esta estrategia de búsqueda se encontrará con otro problema: el costo. Hasta ahora, los detectores de materia oscura se encuentran entre los experimentos físicos básicos más económicos, pero si necesitamos aumentar su tamaño, sensibilidad y complejidad, su costo puede superar a los monstruos como el Gran Colisionador de Hadrones (casi $ 7 mil millones) y el telescopio. James Webb (alrededor de $ 8 mil millones), sin ninguna garantía de éxito, y es muy difícil de vender a los políticos.
La mejor herramienta para descubrir partículas de materia oscura sería un nuevo colisionador. En algún lugar en tres décadas, los físicos planean construir un colisionador que exceda el LHC en potencia varias veces. Se están realizando investigaciones tanto en China como en Europa. Según estimaciones aproximadas, costará $ 25 mil millones de dólares de hoy. Esto puede ser real si la carga se distribuye en el tiempo y entre varios países. Pero es probable que ese sea el límite. Incluso si los físicos tuvieran recursos ilimitados, ya no habría ninguna ganancia al construir algo más grande. Además, cualquier partícula desconocida será tan masiva que el Big Bang simplemente no podría haberlas generado en cantidades suficientes.
A pesar de todos estos intentos increíbles, es posible que no detectemos las señales. Esta es una perspectiva bastante sombría. Quizás no haya materia oscura. Continuamos buscando desviaciones de GR. Hasta ahora, no se ha encontrado ninguno. Por el contrario, el descubrimiento de agujeros negros a través de ondas gravitacionales en 2016 apoyó la teoría de Einstein y, como consecuencia, la existencia de materia oscura.
Pero también hay aspectos positivos. Puede haber asombrosos secretos y descubrimientos relacionados con el lado oscuro de la naturaleza que nunca hubiéramos encontrado si no fuera por estas búsquedas. Mientras buscamos partículas. Y no tenemos más remedio que seguir adelante.
Joseph Silk es cosmólogo en la Universidad de Oxford, también trabaja en el Instituto de Astrofísica de París y en la Universidad. John Hopkins Pionero de la investigación en el campo de la radiación relicta y la formación de la estructura cósmica.