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  • Octubre 2016Nº 481
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Física

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La encrucijada de la materia oscura

Varios fiascos experimentales recientes están llevando a muchos físicos a abandonar el paradigma dominante para explicar la materia oscura.

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La física ha vuelto a faltar a una cita con su futuro que fue concertada hace mucho. Los últimos experimentos concebidos para detectar las partículas que se cree que componen la materia oscura, la sustancia invisible que da cuenta del 85 por ciento de la masa del universo, no han encontrado nada. Tal vez las partículas buscadas, las célebres WIMP (por las siglas en inglés de «partículas masivas que interaccionan débilmente»), sepan esconderse mejor de lo que se pensaba. Pero también puede que no existan, lo que significaría que algo falla en buena parte de los modelos para entender el universo. Numerosos expertos aún conservan la esperanza de que las WIMP aparezcan en el futuro, pero otros ya han comenzado a considerar algunas ideas alternativas que, hasta hace poco, se tenían por poco probables.

El primer resultado nulo fue el del experimento LUX, un detector con 370 kilogramos de xenón líquido a 100 grados bajo cero y enterrado a 1,5 kilómetros de profundidad en Dakota del Sur. Los investigadores han pasado un tiempo equivalente a más de un año buscando los destellos de luz que deberían desencadenar las WIMP al impactar contra los átomos de xenón. El 21 de julio, anunciaron que no habían visto nada.

La segunda decepción llegó el 5 de agosto, procedente del mayor acelerador de partículas de la historia: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Entre otros muchos fines, este laboratorio intenta producir WIMP haciendo chocar protones contra protones a una energía sin precedentes. Unos meses antes, los dos mayores detectores del experimento habían observado indicios de una anomalía: un exceso de pares de fotones con una energía concreta, generados como producto de las colisiones entre protones. Aquello parecía un indicio de nueva física que, entre otras posibilidades, podría estar vinculada a las WIMP. Sin embargo, a medida que el LHC fue acumulando más datos, la anomalía se esfumó: los indicios habían resultado ser una fluctuación estadística.

Estos resultados nulos son una espada de doble filo para la búsqueda de materia oscura. Por un lado, los nuevos límites que ambos experimentos imponen a la masa y a las interacciones de las WIMP marcarán el camino para diseñar una nueva generación de detectores. Por otro, los mismos datos descartan buena parte de los modelos más sencillos y apreciados de WIMP, lo que hace temer que su búsqueda haya supuesto varias décadas perdidas en el estudio de la materia oscura.

Edward Kolb, cosmólogo de la Universidad de Chicago que en los años setenta contribuyó a sentar las bases de la búsqueda de estas partículas, sostuvo en su día que el decenio de 2010 sería «la década de las WIMP». Ahora, sin embargo, reconoce que la investigación no ha marchado como estaba previsto: «Hoy estamos más a oscuras sobre la materia oscura que hace cinco años», afirma. Hasta ahora, señala, la reacción de la mayoría de los teóricos ha sido «dejar que florezcan mil WIMP», con teorías cada vez más barrocas para explicar por qué unas partículas supuestamente ubicuas esquivan todos los detectores.

Hay dos buenas razones para pensar que las WIMP deberían existir. En primer lugar, aparecen de manera natural en una de las extensiones más estudiadas del modelo estándar, según la cual estas partículas tuvieron que generarse en grandes cantidades poco después de la gran explosión. Pero, además, en el caso de que esas WIMP primordiales existan, los cálculos indican que sus propiedades y su abundancia actual serían las adecuadas para explicar la materia oscura. Esta llamativa coincidencia, apodada «milagro WIMP», ha guiado la investigación durante años, pero ahora hay quien duda de su validez.

En 2008, Jonathan Feng y Jason Kumar, por entonces ambos en la Universidad de California en Irvine, demostraron que la misma clase de teorías que sugerían la existencia de WIMP permitían también la presencia de partículas con masas e interacciones muy distintas. «Dichas partículas dan como resultado la misma cantidad de materia oscura que medimos hoy, pero no son WIMP», explica Feng. «Eso pone todo patas arriba, ya que se trata de un modelo igual de bien motivado desde el punto de vista teórico. Lo llamamos "milagro sin WIMP".»

El hecho de que los argumentos teóricos para postular WIMP hayan perdido peso, sumado a una lista cada vez mayor de experimentos que no ven nada, ha llevado a Feng y a otros investigadores a proponer un cuadro más complejo: todo un sector invisible del universo formado por múltiples variedades de partículas, las cuales interaccionan entre sí mediante sus propias «fuerzas oscuras», tendrían sus «cargas eléctricas oscuras» e incluso emitirían «luz oscura» [véase «Mundos oscuros», por J. Feng y M. Trodden; Investigación y Ciencia, enero de 2011, y «Materia oscura compleja», por B. A. Dobrescu y D. Lincoln; Investigación y Ciencia, septiembre de 2015]. Al contener muchas más variables con las que jugar, estos modelos pueden encorsetarse con mayor facilidad dentro de los límites que imponen los resultados nulos de los experimentos. La pega, sin embargo, es que esa misma flexibilidad hace que resulte muy difícil ponerlos a prueba de manera concluyente.

«El sector oscuro da la libertad de inventar casi cualquier cosa», señala David Spergel, astrofísico de la Universidad de Princeton. «Ahora que el milagro WIMP ya no nos sirve como guía, el espacio de modelos posibles es enorme; un campo de juego en el que no sabemos cuáles son las opciones correctas. Necesitamos que la naturaleza nos dé más pistas sobre cómo proseguir.»

A la vista de los indicios que hasta ahora ha ofrecido la naturaleza, algunos físicos han abandonado las WIMP por completo. Por ejemplo, se sabe que existen tres variedades de neutrinos, fantasmagóricas partículas de masa ínfima y que apenas interaccionan con el resto. Aunque su exigua masa no basta para dar cuenta de la materia oscura, el mero hecho de que sea distinta de cero abre la posibilidad a que exista un cuarto tipo de neutrino, más masivo, apodado «estéril» [véase «Mensajeros fantasmales de nueva física», por M. S. Hirsch, H. Päs y W. Porod; Investigación y Ciencia, junio de 2013]. «Casi todos los mecanismos que explican la masa de los neutrinos requieren la existencia de neutrinos estériles, y sería muy fácil que alguno de ellos constituyese la materia oscura», apunta Kevork Abazajian, físico teórico de la Universidad de California en Irvine.

Otro perenne candidato es el axión, una hipotética partícula mucho más ligera que las WIMP y que fue propuesta en los años setenta para resolver cierto problema relacionado con las simetrías del modelo estándar. «Si las WIMP no aparecen, las apuestas se dirigirán hacia los axiones», conjetura Peter Graham, físico de Stanford [véase «Tras el rastro de los axiones», por J. Jaeckel, A. Lidner y A. Ringwald; Investigación y Ciencia, marzo de 2015].

Más allá de WIMP, sectores oscuros, neutrinos estériles y axiones, existen otras posibilidades, si bien ninguna de ellas constituye un campo demasiado activo de investigación: agujeros negros primordiales, dimensiones adicionales del espacio o incluso modificaciones a la teoría de la gravedad de Einstein.

Con todo, lo que más preocupa a numerosos físicos no es que la idea de la materia oscura acabe demostrándose errónea (las pruebas empíricas a favor de su existencia son abrumadoras), sino que esclarecer su identidad no ayude a afrontar otros grandes misterios de la física. «No solo queremos que la materia oscura exista, sino que además resuelva otros grandes problemas del modelo estándar», apunta Jesse Thaler, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts. «No todo descubrimiento puede ser una revelación [...] que de pronto hace que las teorías casen entre sí mucho mejor que antes. A veces, las nuevas partículas solo nos hacen decir: "¿¡Quién ha pedido esto!?". ¿Vivimos en un universo donde cada hallazgo nos lleva a un conocimiento más profundo, o en uno en el que algunas partes vienen a cuento pero otras no? La materia oscura ofrece ambas posibilidades.»

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