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  • 14/11/2017

Materia oscura

¿Crisis de la materia oscura?

Los físicos empiezan a abrazar explicaciones alternativas de ese componente del universo.

Physical Review Letters

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El experimento XENON1T busca materia oscura en el laboratorio del Gran Sasso [XENON Collaboration].

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¿De qué está hecho el 95 por ciento del cosmos?Hace años que los físicos saben que todos los átomos y toda la luz que existen el universo apenas dan cuenta del 5 por ciento de su contenido total de materia y energía. El 95 por ciento restante se compone de dos misteriosos agentes que, a falta de un nombre mejor, han dado en llamarse «materia oscura» y «energía oscura». Dominan el cosmos, pero ¿cuál es su naturaleza? En este número podrás encontrar una panorámica clara y rigurosa del estado actual de dos líneas de investigación que, casi como ninguna otra, evidencian lo mucho que aún nos queda por aprender sobre el universo y las leyes fundamentales que lo rigen.

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Los físicos se sienten cada vez mas frustrados en su búsqueda de la materia oscura, esa sustancia de difícil detección de la que se cree que comprende el 85% del universo material. Equipos de investigadores que trabajan con los detectores más sensibles del mundo han informado de que no consiguen dar con ella. Y esta sequía persistente pone en entredicho los puntos de vista preferidos por los teóricos.

Los últimos resultados del experimento XENON1T, realizado en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, en Italia, que se publicaron el 30 de octubre, prolongan ese volverse con las manos vacías que caracteriza a la búsqueda de las partículas de la materia oscura desde hace 30 años. Un intento de un equipo chino de detectar esa elusiva forma de materia, cuyos resultados se publicaron el mismo día, se ha quedado también con las manos vacías. Los intentos en marcha con telescopios instalados en el espacio, así como los del CERN, el laboratorio europeo de física de partículas, tampoco han encontrado atisbo alguno de las partículas de la materia oscura.

Esta situación deja a los investigadores en dificultades a la hora de encontrar respuestas. «No sabemos cómo funciona el universo a un nivel más profundo de lo que la mayoría nos atrevemos a admitir», dice Stacy McGaugh, astrofisico de la Universidad Case Western Reserve, en Cleveland, Ohio.

Entre los físicos, hay una amplia aceptación de la existencia de la materia oscura desde la década de 1980, como explicación de que las galaxias permanezcan enteras, de que no se disgreguen pese a lo que cabría esperar de la cantidad de masa observable que contienen y la velocidad a la que giran. Supusieron que las rodean halos de invisible materia oscura, que las estabilizarían. Los físicos fueron estando más convencidos de esta idea cuando los modelos con materia oscura predijeron acertadamente las fluctuaciones detectadas en un eco observable del Big Bang, el fondo cósmico de microondas

Estas observaciones se convirtieron en la prueba más contundente a favor de una propuesta de los años 80: que la materia oscura podría estar formada por partículas con masa que interaccionan débilmente, o WIMP. La existencia de esas partículas concuerda con la forma en que los físicos creen que evolucionó el universo y con la proporción relativa de la materia. Además, las propiedades de las WIMP coincidirían con las predichas por una rama de la física de partículas llamada supersimetría.

La última tanda de resultados parece descartar las teorías supersimetricas más simples y elegantes, lo que arroja dudas de que esas partículas aún no detectadas sean la materia oscura. Si las teorías supersimetricas más simples ya no son viables, dicen los científicos, entonces es que cualquier partícula WIMP tendría que interaccionar con la materia más débilmente de lo que se había creído. «No es una completa retirada desde el paradigma de las WIMP, pero sin lugar a dudas hay un cambio en dónde se pone el énfasis», afirma Dan Cooper, físico del Laboratorio Nacional del Acelerador, en Batavia, Illinois.

Las actitudes están cambiando, y los físicos abrazan cada vez con mayor frecuencia otras posibles explicaciones de la materia oscura, dice David Spergel, astrofisico teórico de la Universidad de Princeton, en Nueva Jersey, uno de los primeros que propuso modelos con WIMP. «Estos experimentos no han cerrado por completo la ventana. Sin embargo, tenemos también que pensar en otros tipos de materia oscura y nuevos experimentos», dice.

Detectores especializados

Ha llevado décadas construir dispositivos experimentales capaces de detectar el minúsculo ritmo al que se creía que las WIMP interaccionan con la materia. Solo en los últimos diez años han alcanzado los experimentos, realizados en alrededor de una docena de laboratorios, el nivel de sensibilidad necesario para detectarlas. El detector más sensible es XENON1T, en el laboratorio del Gran Sasso, que busca los destellos de luz que se crearían si la materia oscura interaccionase con los átomos de un tanque de tres toneladas y media de xenón líquido extremadamente puro. Pero el equipo no encontró materia oscura en la primera tanda del experimento.Tampoco hubo ninguna señal en los datos reunidos durante los dos años de la segunda tanda del experimento chino PandaX, que se realiza en Jinping, provincia de Sichuan. Las búsquedas en el espacio también han fracasado, y se desvanecen las esperanzas relacionadas con una señal de rayos gamma que en su momento resultó muy prometedora, una señal, captada por el telescopio Fermi, de la NASA, procedente del centro de la Vía Láctea: fuentes más corrientes parecen explicarla. Solo ha habido una comunicación importante sobre una detección de materia oscura, la de la colaboración DAMA, pero ningún grupo ha conseguido reproducir ese resultado, muy polémico, si bien están en marcha nuevos intentos de lograrlo.

Futuras generaciones de detectores basados en el mismo principio qué XENON1T están ya en construcción. Se los necesitará para que los físicos cierren finalmente, si es que hay que cerrarla, la ventana de las WIMP. Pero la continua no comparecencia de las partículas está ya volviendo a los teóricos más abiertos de mente y ha permitido que ganen vsibilidad otras teorías, dice Hopper. Quizás la materia oscura consista en unas partículas exóticas, los axiones, algo así como una una especie de extraños fotones con masa. Los teóricos están también intentando ver si la materia oscura acaso no interaccionará en absoluto con las partículas conocidas, sino que exista en un «sector oscuro», dice.

La amenaza del rechazo de la hipótesis de las WIMP está siendo alentada también por los teóricos que piensan que la materia oscura misma no es más que un señuelo. «Espero que la gente se vuelva todavía más abierta de mente», dice McGaugh, que estudia versiones modificadas de la gravedad que niegan la necesidad de la materia oscura. Sin embargo, Hopper recalca que el cada vez más débil apoyo a las WIMP no no debilita la idea de la materia oscura en sí. Cree que al final se la encontrará. «No me preocupa la posibilidad de que no vaya a ocurrir nunca, pero parece muy difícil que acabe por ser así», dice.

Elizabeth Gibney/Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Fuentes: «First Dark Matter Search Results from the XENON1T Experiment», de E. Aprile et al., en Physical Review Letters 119, 181301 (30 de octubre de 2017), y «Dark Matter Results from 54-Ton-Day Exposure of PandaX-II Experiment», de Xiangyi Cui et al. (PandaX-II Collaboration), en Physical Review Letters 119, 181302 (30 de octubre de 2017). Se pueden leer también en arXiv:1705.06655 [astro-ph.CO] y arXiv:1708.06917 [astro-ph.CO].

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