Materia Oscura - Miguel Peiró

31 de Octubre

Día Internacional

de la Materia Oscura

(y además San Quintín)

Capítulo 53 (CIENCIA, y además lo entiendo!!!)

A la caza de la materia oscura: viendo lo invisible

(Por Miguel Peiró)

Como hemos visto en el capítulo anterior nuestro Universo posee una complejidad que va mucho más allá de aquella presente en astros tales como estrellas o planetas, o de las mismas galaxias que los albergan. Una cantidad nada desdeñable de materia oscura lo impregna todo, está presente en los vastos espacios que existen entre cúmulos de galaxias, pero también está cruzando en este mismo momento su habitación, y a usted mismo, a una velocidad de unos cientos de kilómetros por segundo.

La certeza acerca de la existencia de este nuevo tipo de materia exótica es incontestable. A día de hoy se tienen numerosas observaciones que apuntan en una misma dirección: aproximadamente el 85% de la materia total del Universo se encuentra en forma de materia oscura, mientras que el 15% restante estaría compuesto de materia ordinaria (bariónica) o lo que es lo mismo, la materia que hasta ahora conocíamos, aquella compuesta de protones, neutrones y electrones. Sí, todo lo que le rodea, todo lo que se puede observar en el cielo en una noche estrellada, todas las galaxias, planetas y estrellas, no son más que una parte pequeña de todo lo que ahí fuera nos aguarda. 

Sin embargo, las numerosas observaciones que prueban la existencia de la materia oscura solo prueban que ésta interacciona gravitacionalmente con la materia ordinaria. Es decir, de la misma forma que el Sol y la Tierra sienten una atracción gravitatoria mutua, la materia oscura siente esa atracción hacia la materia ordinaria, y viceversa. Pero la gravedad es solo una de las cuatro fuerzas fundamentales que conocemos en la Naturaleza. En lo relativo a las otras tres, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte, y la fuerza nuclear débil, no se tiene constancia a día de hoy de que la materia oscura pueda interaccionar con la materia ordinaria a través de estas fuerzas. Es más, muy posiblemente la materia oscura no posea las propiedades necesarias para que pueda interactuar ni electromagnéticamente ni a través de la fuerza nuclear fuerte con la materia bariónica. Este exótico nuevo tipo de materia fue denominada oscura, aunque un término más acertado hubiera sido transparente, ya que no emite ni absorbe luz, que es precisamente una consecuencia de su nula (o realmente pequeña) interacción electromagnética.

Pero, ¿cómo es posible entonces observar la materia oscura? Su observación directa o indirecta es fundamental a la hora de desentrañar uno de los mayores misterios de la física moderna: la naturaleza de su composición. Pues bien, actualmente se cree que sí sería posible observarla directa e indirectamente, e incluso hasta sería plausible crearla aquí en nuestro planeta. Y es que si hay algo que sabemos con certeza, y que ya hemos mencionado anteriormente, es que la cantidad de materia oscura es mucho mayor que la cantidad de materia ordinaria y que por lo tanto, debió de existir algún mecanismo en los orígenes del Universo que crease tal cantidad de materia oscura. Esta es una pieza clave a la hora de entender este puzzle.

Cuando un físico se sienta en su mesa, delante de un papel, dispuesto a revolucionar el mundo de la física con una nueva teoría que dé cuenta de la materia oscura de nuestro Universo, lo primero en lo que ha de reparar es en cómo crear esa enorme cantidad de materia que observamos. A día de hoy conocemos muchos mecanismos que explicarían estas observaciones, pero lo más importante es que en la mayoría de ellos el punto diferencial es el grado de interacción que se le supone a la materia oscura con la materia ordinaria. Y es que aunque al lector le pueda parecer extraño, a través de las interacciones entre ambos tipos de materia se puede calcular muy precisamente cuanta materia oscura habría en el Universo que poco a poco se va creando en nuestro papel. ¡Qué curioso!, resulta que si la materia oscura interacciona débilmente, y recalcamos que solo débilmente, con la materia ordinaria (con la intensidad correspondiente a la fuerza nuclear débil) la cantidad de materia oscura en nuestro Universo se correspondería a aquella que se ha inferido observacionalmente, ese 85% que previamente mencionábamos. Esto parece más que una coincidencia, es lo que se vino a llamar el milagro de los WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), ya que este tipo de partículas hipotéticas seguirían estas pautas. Pero las consecuencias de esto no se limitan a la cantidad de materia oscura. Si esto realmente fuera así, y la materia oscura estuviera compuesta por WIMPs, significaría que existen otras formas de verla, y esto es demasiado grande e importante para que pase desapercibido.

53.1    Detección directa.

Podemos ahora formularnos la siguiente pregunta: si para que se formara tanta materia oscura en el Universo ésta ha de interactuar débilmente con la materia ordinaria, y teniendo en cuenta que la materia oscura atraviesa la Tierra en enormes cantidades, ¿es razonable tratar de detectar esa interacción aquí en nuestro planeta? La respuesta a esta pregunta es sí. Esto ha motivado un programa experimental mundial para la detección de la materia oscura sin precedentes.

Esta técnica para la detección de la materia oscura se basa en la posibilidad de que una partícula de materia oscura choque contra un núcleo atómico, contra alguno de los protones o neutrones que lo compone. Como bolas de billar, tras el choque, el núcleo experimentará un retroceso y posteriormente liberará energía en diferentes formas. Es esta energía la que se trata de medir con tanto ahínco, y que a día de hoy no se ha conseguido.

La probabilidad de que una partícula de materia oscura choque, o lo que es lo mismo, interaccione con un núcleo de un detector es tremendamente pequeña. Es por esta razón que los experimentos de detección directa están compuestos de ingentes cantidades de un material, como Germanio o Xenon, que se deja durante largos periodos de tiempo a la caza de una de estas interacciones. Estas dos variables, la cantidad de material y el tiempo de escucha, resultan en lo que se denomina exposición. Cuanto mayor sea la exposición de un experimento dado, mayor es la probabilidad de que una partícula de materia oscura choque contra uno de los núcleos del detector, lo que hace que este tipo de experimentos traten incesantemente de aumentar las cantidades del material que lo compone. Sin embargo, no todo es tan fácil como puede parecer. La lluvia de partículas que recibe la Tierra no está ni mucho menos solo compuesta de materia oscura, existen muchos otros tipos de partículas que también nos bombardean, y concretamente en este tipo de experimentos son de especial importancia lo que se conocen como los rayos cósmicos. 

           Los rayos cósmicos son radiación de muy alta energía proveniente en su mayoría de procesos astrofísicos fuera del sistema solar, como supernovas o quasares. Cuando alcanzan la atmósfera terrestre chocan contra moléculas que la componen produciendo en este proceso una lluvia de numerosas partículas como piones, neutrinos o muones, conocidos como rayos cósmicos secundarios.  En su camino, estas partículas pueden chocar contra uno de nuestros detectores de materia oscura produciendo una señal similar a la que produce la materia oscura. Para aislarse de este tipo de choques, los experimentos de materia oscura se sitúan a grandes profundidades bajo tierra, usando así el propio suelo como escudo ante este tipo de intrusos. Antiguas minas o montañas son el lugar habitual en el que podemos encontrar grandes experimentos de detección directa de materia oscura como LUX o SuperCDMS.

Como ya hemos mencionado anteriormente, hasta ahora no se han encontrado señales en detección directa que con toda seguridad hayan sido producidas por materia oscura. Lejos de producir un declive en el interés de la comunidad científica, esto ha servido para seguir aunando fuerzas en esta desconcertante caza. No obstante, la nula detección de materia oscura hasta ahora ha servido para entender que muchos modelos que se tenían no podrían ahora explicar este problema. Es decir, si tenemos un modelo que predice un determinado grado de interacción entre la materia oscura y los núcleos atómicos tal que la materia oscura debería haberse visto ya en un determinado experimento de detección directa, este modelo quedará automáticamente descartado, ya que como decíamos, aún no se ha observado nada. 

53.2    Detección indirecta.

La detección directa, que acabamos de ver, no es la única manera que conocemos para probar las interacciones no gravitacionales de la materia oscura con la materia ordinaria. La detección indirecta de materia oscura es una técnica basada en las mismas hipótesis que anteriormente describíamos, pero que a diferencia de la detección directa, trata ver esas interacciones en lo que se conocen como halos de materia oscura. Se llama halo de materia oscura a toda esta materia que envuelve al disco de materia visible en las galaxias, como la nuestra, la Vía Láctea, y que se extiende mucho más allá de los límites visibles de ésta. Es decir, es toda la materia oscura que baña las galaxias, desde los centros de éstas hasta zonas muy externas que a priori no eran siquiera consideradas como partes de la propia galaxia. Tanta es la cantidad de materia oscura que existe en los halos, que la mayor parte de la masa total de una galaxia proviene de esta componente, e incluso se sabe que existen galaxias en las que la cantidad de materia oscura supera por muchísimo la cantidad de materia ordinaria, como es el caso de las galaxias enanas esferoidales (dSph, del inglés dwarf spheroidal galaxies). En galaxias como la nuestra, la densidad de materia oscura del halo crece de forma drástica a medida que nos acercamos al centro de esta, existiendo en esa región enormes densidades de materia oscura rotando alrededor del agujero negro supermasivo que allí se encuentra.

Por mágico que pueda parecer, hoy en día sabemos que, a nivel microscópico, el mismo proceso  que genera el choque entre la materia oscura y la materia ordinaria (aquél que nos servía como motivación de los experimentos de detección directa) sería responsable de lo que se conoce como la aniquilación de la materia oscura. Cuando dos partículas de materia oscura se encuentran, existe una cierta probabilidad distinta de cero de que éstas se fundan dando lugar a un par partícula-antipartícula de materia ordinaria, como por ejemplo, un par electrón-positrón o un quark-antiquark. Pues bien, estas partículas son las que se tratan de detectar mediante la técnica de la detección indirecta. En la mayoría de los casos, las partículas creadas no son estables, y acaban por decaer en otras partículas que si lo son, y por increíble que nos resulte, entre éstas hay fotones, partículas de luz. Entonces al fin y al cabo, la materia oscura sí genera luz, mediante su aniquilación. Pero la probabilidad de que esto suceda es relativamente pequeña y esto hace que, desgraciadamente, la materia oscura no sea una fuente lumínica que pueda ser comparada con la mayoría de procesos astrofísicos que ocurren en una galaxia, lo que dificulta mucho la tarea de su detección mediante esta técnica. Sin embargo, buscar estas aniquilaciones en zonas donde la densidad de materia oscura es grande, como el centro de la Vía Láctea, o dónde prácticamente toda la luz generada pueda venir de la materia oscura, como en las dSph, ayuda a maximizar las posibilidades de un descubrimiento. 

A pesar de esta dificultad existen numerosos experimentos que han aceptado este magnífico reto. Satélites como Fermi-LAT están tratando de cazar estos fotones provenientes de las aniquilaciones de materia oscura, y otros como AMS tratan de detectar la antimateria producida (positrones por ejemplo). Los detectores de neutrinos también están al tanto de la posibilidad de detectar una fuente de neutrinos provenientes de estas aniquilaciones (los neutrinos, como otras partículas que ya hemos mencionado, se pueden producir en el choque de dos partículas de materia oscura), y redes de telescopios como CTA buscarán los rayos cósmicos producidos en la atmósfera cuando partículas generadas por las aniquilaciones la crucen. En definitiva, el campo de la detección indirecta es, actualmente, un campo de mucha actividad. Desgraciadamente, no existen aún indicios de una detección clara de la materia oscura en este campo. Pero como en el caso de la detección directa, esto también nos da información muy valiosa acerca de la naturaleza de esta exótica forma de materia.

53.3    LHC.

Quizá llegados a este punto alguien haya pensado lo siguiente: si al encontrarse dos partículas de materia oscura generan, por ejemplo, un par quark-antiquark, ¿no puede ocurrir el proceso inverso?, es decir, que un par quark-antiquark dé lugar a un par de partículas de materia oscura. Esto sería algo así como crear materia oscura a partir de materia ordinaria, y la respuesta es un sí rotundo. Además, para que esto ocurra, no hace falta irse tan lejos como el centro de la galaxia, esto podría estar sucediendo muy cerca de nosotros en los aceleradores de partículas.

Los aceleradores de partículas son máquinas que mediante el uso de campos electromagnéticos aceleran partículas a velocidades cercanas a la de la luz. En el LHC (Large Hadron Collider), el acelerador más grande y potente jamás construido, se aceleran dos protones en direcciones opuestas para más tarde hacerlos colisionar. En el momento de la colisión se generan infinidad de partículas, pero lo más interesante en el contexto de las búsquedas de materia oscura es que se crean pares quark-antiquark que podrían dar lugar a la creación de materia oscura.

En este caso el proceso de aniquilación ocurre en la materia ordinaria y el producto de ésta es materia oscura. Pero como ya sabemos, aunque la materia oscura interaccione con la materia ordinaria, la intensidad de esta interacción ha de ser muy pequeña, es decir, que no solo será poco probable crearla a través de aniquilaciones sino que además cuando esto ocurra, la materia oscura saldrá disparada sin que haya ninguna posibilidad de detectarla. Sin embargo, las leyes de la física están de nuestro lado. Sabemos que la energía se conserva, esto es, toda la energía que lleven los dos protones que chocan (una cantidad fácilmente calculable) ha de ser la misma que toda la energía que se exista tras la colisión. Esto significa que cuando se cree materia oscura y escape a nuestra detección (en este caso el proceso sería exactamente el mismo a la detección directa) lo que vamos a ver es un balance negativo entre la energía inicial y la energía final. Es decir, la materia oscura se detecta por la energía que se lleva.

Tampoco a día de hoy se ha detectado la presencia de materia oscura en el LHC. Pero, de nuevo, esto ha servido para descartar algunas posibilidades y diseñar nuevas estrategias para la detección de materia oscura en aceleradores de partículas. 

53.4    Conclusiones.

La naturaleza de la materia oscura ha supuesto uno de los mayores retos de la física moderna. A pesar de estar presente en enormes cantidades en el Universo, y de atravesar la Tierra incesantemente, aún a día de hoy y tras cuatro décadas de investigación, no sabemos de qué está compuesta. Como en un juego casi maquiavélico la naturaleza nos enseña una pequeña parte de su vasta y maravillosa complejidad, pero se guarda bajo llave el resto. 

Hemos visto que la tarea de detectar la materia oscura es realmente complicada y está llena de interrogantes. Aún con todo esto, el ser humano ha sido capaz de diseñar potenciales estrategias de detección que nos doten de ojos para ver el lado oscuro del Universo. No hemos sido capaces aún de dar con la tecla, pero el programa experimental en este sentido no hace más que crecer, y lo que es quizá más importante, la comunidad científica no para de aprender e investigar para dar respuesta a todos estos interrogantes.

Es posible que haya que esperar aún muchos años hasta que se detecte la materia oscura, o es posible que se detecte mañana mismo, quién sabe. Lo que es seguro es que su detección supondrá un hito sin precedentes en la historia de la Ciencia y de la Humanidad.  

Miguel Peiró

Doctor en Física Teórica

Doctor Contratado, Universidad Autónoma de Madrid

Imagen compuesta del cúmulo de galaxias CL0024+17 tomada por el telescopio espacial Hubble que muestra la creación de un efecto de lente gravitacional. Se supone que este efecto se debe, en gran parte, a la interacción gravitatoria con la materia oscura.

NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)