Por Kathryn Jepsen
publicado n/a Revista simetría
Poco después de que dos físicos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) no lograran descubrir el bosón de Higgs en el CERN, se le preguntó al director general del CERN, Rolf Heuer, cuál sería el siguiente paso y cuál de las principales prioridades que citó: Descubrir la materia oscura.
La materia oscura es cinco veces más predominante que la materia común. Parece existir en cúmulos por todo el universo, volviéndose perceptible en las galaxias. La naturaleza de la materia oscura y desconocida, cada vez más físicos sugieren que, al igual que la materia visible, se compone de partículas.
La materia oscura aparece periódicamente en los medios, varias veces cuando un experimento detecta una posible señal de ella. Pero todavía estamos esperando que aparezca el premio Nobel cuando los científicos finalmente lo encuentren.
Aquí hay cuatro datos sobre la materia oscura que quizás no conozcas:
1. Descubrimos la materia oscura
Actualmente varios experimentos están buscando materia oscura. Otros científicos descubrieron su existencia hace décadas.
En la década de 1930, el astrofísico Fritz Zwicky observó las rotaciones de las galaxias que formaban el cúmulo Coma, un grupo de más de 1000 galaxias ubicadas a 300 000 años luz de la Tierra. Estimamos la masa de estas galaxias basándonos en la luz que emiten. Se sorprendió al descubrir que, si su estimación es correcta, dada la velocidad a la que chocan las galaxias, deberían separarse. De facto, el aglomerado requería 400 veces más masa de la que se calculó para mantenerse unido. Algo misterioso parecía estar en el proceso: la materia «oscura» no observada parecía agregar masa a las galaxias.
La idea de la materia oscura se ignoró en gran medida en la década de 1970, cuando la astrónoma Vera Rubin observó algo que ella misma pensó. Estudió la velocidad de las estrellas que se mueven alrededor del centro de nuestra galaxia, vizinha Andrômeda. Predijo que las estrellas fuera de la galaxia deberían moverse más lentamente que las que no están en el centro, porque las estrellas más cercanas al grupo brillante (y por lo tanto masivo) de estrellas no centrales deberían experimentar una mayor atracción gravitatoria. Sin embargo, descubrió que las estrellas en los límites de la galaxia se movían tan rápido como las que no eran meio. Isso tendría sentido, pensó, si el disco de estrellas visibles tuviera un círculo aún más grande a su alrededor que algo que ella no podía ver: algo como la materia oscura.
Desde entonces, otras observaciones astronómicas han confirmado que algo extraño está sucediendo con la forma en que las galaxias y la luz se mueven por el espacio. Es posible que nuestra confusión provenga de una falla en nuestra comprensión de la gravedad, el mismo Rubin dice que prefiere esta idea. No entanto, es cierto que existe la materia oscura, no somos capaces de ver sus efectos.
2. Es posible que hayamos observado materia oscura
Muchos experimentos buscan materia oscura, y algunos de ellos pueden haber sido descubiertos por Tenham. El problema es que ninguno de los experimentos pudo reivindicar el descubrimiento con confianza o lo suficiente como para convencer a la comunidad científica, lo cual se debe a las estadísticas o la incapacidad de descartar posibles explicaciones alternativas. En resumen, las afirmaciones se alinearán de manera convincente para que los científicos declaren cualquier resultado como confirmado.
En 1998, los científicos experimentaron con DAMA, un detector de materia oscura en las profundidades de la montaña Gran Sasso en Italia, y observaron un patrón prometedor en sus datos. Ningún taxón o experimento detecta signos de posibles cambios en las partículas de materia oscura a lo largo del año, alcanzando su punto máximo en junio y disminuyendo a su punto más bajo en diciembre.
Esto era exactamente lo que los científicos de DAMA esperaban encontrar. Nuestra galaxia está rodeada por una envoltura de materia oscura, Terra se mueve constantemente a través de ella en órbita alrededor del Sol, y el Sol se mueve constantemente a través de materia oscura en órbita alrededor del centro de la Vía Láctea. A fin de año, Terra avanza en la misma dirección. Durante otro metado, se mueve en la dirección opuesta. Cuando Terra y el Sol se mueven juntos, sus velocidades combinadas a través de la envoltura de materia oscura son más rápidas que la velocidad de Terra cuando el Sol y la Tierra están en desacuerdo. Los resultados de DAMA parecen haber revelado que Terra en realidad se está moviendo a través de una capa de materia oscura.
No entanto, hay algunas deficiencias; Las partículas observadas por el detector DAMA no pueden ser otra cosa que no ve materia oscura, algo a través de lo cual la Tierra y el Sol se mueven constantemente. O algo podría estar moviéndose o cerca. El experimento DAMA, ahora llamado DAMA/LIBRA, continúa observando esta modulación anual, pero los resultados no son concluyentes ni suficientes para que la mayoría de los dos científicos lo consideren un descubrimiento de materia oscura.
Será difícil para cualquier experimento convencer a los científicos de que encontrarán materia oscura. Podría suceder cuando varias experiencias vienen a ver la misma cosa. Más dependerá de lo que encontremos, dice Neal Weiner, director teórico de Centro de Cosmología y Física de Partículas en la Universidad de Nova Iorque. La materia oscura puede resultar algo extraño y más complicado de lo esperado.
En 2008, el experimento PAMELA ubicado en ningún espacio detectó un exceso de positrones, o que podría ser el resultado de partículas de materia oscura que colisionan y se aniquilan entre sí. En 2013, el experimento AMS-02, adjunto a la Estación Espacial Internacional, encontró el mismo resultado con un nivel de certeza aún mayor. Cada vez más científicos no están convencidos y argumentan que los positrones podrían provenir de púlsares.
Los experimentos subterráneos (CoGeNT, XENON, CRESST, CDMS y LUX) han sido respaldados y, en ocasiones, abandonados para las observaciones de la materia oscura. Parece que tendremos que esperar hasta que se complete la próxima generación de experimentos de materia oscura para obtener una imagen más clara.
3. No sabemos cómo se ve la Materia Oscura; Puede haber varios tipos que componen todo un «sector oscuro»
Los científicos también han construido varios modelos de cómo debería ser la materia oscura. El principal candidato en este momento se llama WIMP, Massive Particle that Interages Frankly (Partícula masiva de interacción débil). Otras posibilidades incluyen partículas convenientemente predichas en modelos de supersimetría, teoría que añade una nueva partícula fundamental correspondiente a cada conocida. Grupos de científicos también están buscando partículas de materia oscura llamadas axiones.
Pero no hay razón para creer que solo hay un tipo de partícula de materia oscura. En la materia visible, los quarks, gluones y electrones que nos componen, además de todo un jardín zoológico de partículas y fuerzas fundamentales, incluidos fotones, neutrinos y bosones de Higgs, representan solo el 5% del universo. El resto es materia oscura, que supone el 23%, y energía oscura, otra historia física que se adjudica el 72% restante.
Como dice Weiner: imagina a un científico en un mundo de materia oscura tratando de comprender la materia visible. A material visível compõem a small fração do que há lá fora; ¿Adivinarían los científicos de la materia oscura su variedad? El mundo que conocemos es muy diverso; ¿Por qué la materia oscura sería tan simple? Los científicos se preguntan si las partículas oscuras pueden combinarse en átomos oscuros que interactúan a través del electromagnetismo oscuro. ¿Podría la química oscura ser la siguiente? Los científicos vienen en busca de partículas de materia oscura proporcionadas en modelos del «sector oscuro».
4. Lo más probable es que veamos Dark Matter en los próximos 5 o 10 años, pero tal vez nunca la veamos por completo
São tempos de gloria para un científico en busca de materia oscura. Con una serie de diferentes ideas experimentales que se concretarán en los próximos años, muchos predicen que el material oscuro estará al alcance de la mano dentro de una década.
“Una de las cosas realmente emocionantes es que todas estas técnicas están madurando al mismo tiempo”, dice el teórico Tim Tait de la Universidad de California, Irvine. «Es una gran oportunidad para enfrentarlos y ver qué pasa».
Los científicos pueden encontrar la materia oscura de diferentes maneras.
Primero, podemos detectarlo directamente. La detección directa implica esperar pacientemente un experimento grande y sensible en un laboratorio subterráneo silencioso, tan libre como sea posible de posibles interferencias de otras partículas. En los próximos años, los científicos reducirán su lista actual de tecnologías de detección para concentrar sus recursos en construir la generación de experimentos más grande y sensible disponible en la actualidad.
La segunda forma de encontrar materia oscura es observarla indirectamente, investigando sus efectos a través de experimentos en el espacio. Las actualizaciones de dos experimentos en curso en satélites o en la Estación Espacial Internacional darán a los científicos la oportunidad de ayudarlos a determinar la importancia de dos posibles efectos de la materia oscura que se han observado.
Una tercera forma de encontrar materia oscura se produce en un acelerador como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Es posible que cuando dos conjuntos de partículas colisionen con el LHC, sus energías se conviertan en masa en forma de materia oscura. El LHC actualmente está pasando por una pausa de mantenimiento y actualizaciones, pero cuando regrese en el verano de 2015 estará operando con más de su energía anterior, abriendo la puerta a la producción de partículas nunca antes producidas.
Una vez que los científicos encuentran la materia oscura utilizando uno de los dos métodos, pueden concentrar sus esfuerzos en ella, dice Tait. Una vez que aprendamos más sobre sus propiedades, «realmente va a dinamizar este negocio», dice. «En este momento estamos en una habitación oscura, a tientas. Una vez que sepa dónde está lo que está buscando, puede estudiarlo con más cuidado”.
Pero también es posible que la materia oscura esté fuera de nuestro alcance, incapaz de ser detectada o producida. Si los científicos no observan la materia oscura en los próximos 10 años, es posible que tengan que encontrar una nueva forma de buscarla. O tal vez sea necesario reconsiderar lo que sabemos sobre la gravedad.