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  • 03/04/2018

Física

El experimento que lleva la contraria desde hace veinte años

Los físicos de un experimento que se realiza en Italia siguen viendo una fluctuación en los datos que, dicen, se debe a la materia oscura, pero el misterio es cada vez mayor.

Istituto Nazionale de Fisica Nucleare

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El experimento DAMA/LIBRA, en Italia, busca señales de la materia oscura [DAMA-LIBRA Collab./LNGS-INFN].

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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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Un grupo de físicos dice que sigue detectando la presencia de materia oscura (la sustancia misteriosa que, según se cree, compone el 85 por ciento de la materia del universo) veinte años después de que viese los primeros indicios de esa señal.

DAMA, una colaboración de investigadores italianos y chinos, ha anunciado los muy esperados resultados de seis años de toma de datos, subsiguientes a una mejora del experimento en 2010. Los hallazgos son un acicate para los diversos grupos que intentan reproducir los resultados de DAMA, que han estado sujetos a controversia y contradicen los de otros experimentos. Pero la mejorada sensibilidad de DAMA hace que resulten más difíciles de explicar, dicen los físicos.

Las observaciones de galaxias y del la radiación primordial del universo indican que la gran mayoría de la materia es de un tipo invisible que interacciona casi exclusivamente por medio de la gravedad. Se han formulado muchas teorías para explicar la naturaleza de esta materia oscura y se han realizado muchos experimentos con la intención de detectarla por medio de sutiles interacciones con la materia ordinaria.

Rita Bernabei, física de la Universidad de Roma Tor Vergata y directora de DAMA desde sus primeros días, presentó los últimos resultados el 26 de marzo en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, sede subterránea (en una caverna bajo una montaña) del experimento. En Internet se pueden encontrar diapositivas de su charla; Bernabei le contó a Nature que su equipo no hará comentarios mientras no finalicen el artículo donde expondrán los resultados.

Los físicos que buscan la materia oscura esperan medir la minúscula cantidad de energía que se libera cuando las partículas del «halo» de materia oscura que se cree que rodea a la Vía Láctea interaccionan con los átomos de la materia ordinaria de la Tierra.

DAMA registra los breves destellos de luz que se producen dentro de unos cristales de yoduro de sodio cuando las partículas subatómicas golpean el  núcleo de un átomo de sodio o de yodo. Algunos destellos se producen como resultado de las colisiones de neutrones errantes y otra radiactividad de fondo. Pero una señal de la materia oscura de la Vía Láctea destacaría porque se manifestaría con una característica modulación anual.

Sería así porque a medida que el Sol se mueve por la galaxia el halo golpearía al sistema solar como un viento de cara, que visto desde la Tierra variaría muy ligeramente en velocidad a medida que esta gira alrededor del Sol. Cuanto más deprisa se mueve la Tierra, más detecciones de materia oscura se harían y el número de destellos detectados cambiaría a lo largo del año. Las señales alcanzarían su máximo a principios de junio y su mínimo, a principios de diciembre, dice Katherine Freese, física teórica de astropartículas de la Universidad de Michigan en Ann Arbor, que formó parte del equipo que propuso, en 1986, buscar esas fluctuaciones.

Halo de dudas

Pero cuando DAMA anunció que había visto la fluctuación, a poco de que una primera versión del experimento empezase a funcionar en 1997, los físicos fueron escépticos. Se dudaba de que el efecto fuese una señal genuina de la materia oscura. En vez de eso, decían, fuentes terrestres o peculiaridades del aparato podían estar imitando la señal de verdad. Había también la posibilidad de que la señal se desvaneciese cuando se reemplazaran algunas partes del aparato con tecnologías más modernas. Pero no pasó. «La modulación sigue ahí, intensa y clara», dice Freese.

Unos cuantos experimentos, cada vez más sofisticados, que deberían haber visto también la materia oscura, aunque con procedimientos diferentes, no la han encontrado por ahora. Pero el equipo de DAMA sigue viendo la fluctuación. El grupo confirmó que la última vez que había visto la señal era en 2013, con una versión previa del dispositivo experimental llamada DAMA/LIBRA fase 1. Los últimos hallazgos, con el mejorado DAMA/LIBRA fase 2, llegan cuando otros experimentos intentan por primera vez corroborar o refutar su aseveración con el mismo tipo de cristales de yoduro de sodio que usa DAMA.

En cabeza de ese pelotón está COSINE-100, un experimento estadounidense y sudcoreano que se realiza en el laboratorio subterráneo de Yangyang, en Corea del Sur. Hyunsu Lee, físico del Instituto de Ciencia Básica de Daejeon, dice que si la señal de DAMA hubiese desaparecido en los nuevos datos, la motivación de efectuar más experimentos con yoduro de sodio habría decaído.

«Para nosotros, estos resultados son muy alentadores», dice Susana Cebrián, física de la Universidad de Zaragoza que trabaja en otro intento de réplicas, ANAIS, en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc.

Desviación inesperada

Pero los últimos resultados de DAMA tienen un su intríngulis. La mejora ha hecho que el aparato sea sensible a colisiones de energía inferior; a señales, pues, procedentes de partículas que se mueven más despacio. Según los modelos típicos de la materia oscura, el ritmo de las fluctuaciones, vistas desde la Tierra, deberían invertirse debajo de ciertas energías. «Deberían tener el máximo en diciembre y el mínimo en junio», dice Freese. Los últimos resultados no muestran eso.

La desviación «es estimulante, alimento para el pensamiento», dice Juan  Collar, físico experimental de la Universidad de Chicago en Illinois que trabaja en la detección de la materia oscura. «Los constructores de modelos van a estar entretenidos», añade. «Puede que apunte a un  origen prosaico o a una interpretación basada en la materia oscura pero  diabólicamente compleja».

Pero muchos físicos aún expresan escepticismo. Dan Hooper, físico del Laboratorio Nacional del Acelerador, en Batavia, Illinois, escribía este tuit el 26 de marzo: «Soy un creador de modelos de materia oscura muy creativo (si puedo decir eso de mí mismo) y no se me ocurre un modelo viable que pueda producir esa señal».

Freese, que no forma parte de la colaboración DAMA, es más optimista. Dice que los datos a bajas energías son todavía tentativos y aún podrían ser compatibles con la señal buscada.

«Es más urgente que nunca que un experimento independiente basados en la misma técnica, como ANAIS, pueda reproducir el efecto», dice Cebrián. Su equipo concluirá el primer año de toma de datos en agosto, explica, y pretende publicar los resultados antes de que acabe 2018.

Para entonces, COSINE-100 habrá acumulado dos años de datos y seguramente habrá publicado los primeros resultados. Están planeados otros experimentos en Australia y Japón; el detector PICO-LON, que unos investigadores japoneses esperan instalar en el Observatorio Subterráneo de Kamioka, quiere ser especialmente sensible a esos reveladores sucesos de baja energía, dice Kenichi Fushimi, que dirige ese proyecto en la Universidad de Tokushima.

Aunque las últimas mejoras de DAMA han despejado ciertas inquietudes de que el efecto se hubiese generado en el interior del detector, dice Collar, «permanece, sin embargo, el misterio de por qué su resultado es incompatible con cualquier otro resultado en esta especialidad».

Davide Castelvecchi / Nature news

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

Más información en Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.  

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