Experimentos y telescopios para entender qué es la materia oscura

El universo está compuesto por galaxias, estrellas, planetas, cometas, agujeros negros, y asteroides que hoy pueden ser localizados con facilidad desde la Tierra. Pero hay una enorme parte que se mantiene escurridiza y que ni siquiera se sabe bien de qué se trata. Es la materia oscura, que forma el 27% del universo y afecta el surgimiento y la rotación de las galaxias. Sin galaxias, no habría estrellas. Sin estrellas, no habría planetas. Y sin planetas, no habría vida. Por lo cual, decenas de científicos de diferentes países intentan detectar señales de la materia oscura para entender su composición. Incluso, ahora postulan que existirían dos tipos principales de materia oscura: la fría y la tibia.

En 1933, el físico de origen búlgaro Fritz Zwicky había postulado la existencia de una “masa no visible” que influía en las velocidades orbitales de las galaxias. Desde entonces se han organizado 34 experimentos en el mundo para detectar a la materia oscura. El gran obstáculo es que se trata de algo invisible y extremadamente difícil de detectar. Si bien está afectada por la fuerza de gravedad, no se encuentra “influenciada” por las otras fuerzas fundamentales del universo. No tiene carga eléctrica. Flota libremente, y pasa a través de los átomos de la materia común.

Están buscando cuáles serían las partículas que conforman los diferentes tipos de materia oscura. “Desde el punto de vista del modelo cosmológico más aceptado actualmente, necesitamos partículas con una vida media muy larga, que sean “pesadas” y, obviamente, que no interactúan electromagnéticamente”, cuenta Susana Pedrosa, investigadora del Instituto de Astronomía y Física del Espacio, que depende del Consejo de Investigaciones Científicas y Técnicas de la Argentina y de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires.

Hay varias partículas candidatas que serían parte de la materia oscura. Hasta ahora ninguna de las partículas que se han postulado es totalmente adecuada. “Los neutrinos tienen el problema de que por su masa serían candidatos a materia oscura caliente o tibia. Las candidatas todavía en carrera son las llamadas partículas masivas que interactúan débilmente, más conocidas por su sigla en inglés WIMPs”, agrega Pedrosa.

Hay distintas maneras para intentar “medir” o detectar la materia oscura. “Nuestra galaxia, la Vía Láctea, está inmersa en un halo de materia oscura. Al usar detectores especiales, podría lograrse la detección directa de materia oscura”. Este tipo de experimento está en minas en desuso a mucha profundidad, y constan de tanques con gases nobles. Estos experimentos esperan poder detectar el sutil paso de una partícula de materia oscura por ellos. “Pero todavía no se han obtenido datos comprobadamente fuera del error y reproducibles”, resalta la investigadora.

Uno de los proyectos más prometedores en busca de la materia oscura fría es el detector LUX-Zeplin (LZ), que pertenece a la segunda generación de experimentos en busca de la materia oscura. Es parte de un colaboración entre 31 instituciones científicas de los Estados Unidos, Inglaterra, Rusia, Portugal y Corea del Sur. Lo administra el Laboratorio Berkeley, que depende del Departamento de Energía estadounidense. Consiste en un tanque 7 toneladas de gas zenón bajo tierra en un sitio en Dakota del Sur, en para detectar las interacciones entre la materia común y la oscura. En particular se piensa en detectar las partículas WIMPs. Se espera que empiece funcionar en el año 2020. Esta colaboración ya estuvo a cargo de otro detector.

^{El detector LUX-Zeplin (LZ) es uno de los proyectos más prometedores en la búsqueda de la materia oscura fría.} 

Otra esperanza se despliega en estos momentos en la frontera entre Suiza y Francia. Allí, están los científicos del CERN, donde se filmó la película Ángeles y Demonios, basada en la novela de Dan Brown. Están a cargo de la mayor máquina del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (popularmente conocido como “máquina de Dios”) y ponen a punto toda la tecnología para alcanzar los rangos de energía necesarios para poder producir partículas WIMPs. “Como todo en la ciencia, no hay un experimento principal sino se trata de una construcción colectiva. Y cada ángulo de ataque elegido contribuye para el estudio de la materia oscura”, considera Pedrosa.

Durante los últimos cinco años, hubo una enorme cantidad de publicaciones que dan cuenta de una forma de detección indirecta: la señal de aniquilación de partículas de materia oscura. Para identificar esa señal, los estudios apuntan al centro de la Vía Láctea, o bien hacia galaxias enanas, ya que estarían dominadas por materia oscura. Hay numerosos análisis sobre el exceso de radiación gamma que detectó el experimento Fermi-LAT, en el telescopio espacial Fermi que fue puesto en órbita en 2008. “Este es un debate abierto todavía ya que hay muchas fuentes astrofísicas que pueden contribuir a este exceso por lo que no es sencillo limpiar los datos y afirmar que se trata de aniquilación de materia oscura”.

Además, hay investigación en curso sobre la materia oscura tibia. La científica Norma Sánchez, directora de la Escuela Internacional de Astrofísica "Daniel Chalonge", en Francia, persigue a ese tipo de materia. Cuenta: “El telescopio espacial Hubble permitió observar galaxias muy distantes y por lo tanto muy primordiales en el tiempo, entre 600 y 900 millones de años después del Big Bang.

“El rol de la materia oscura en esas galaxias y sobre todo su densidad y distribución es muy importante. Nuestro trabajo reciente en el Astrophysical Journal Letters demostró que esos datos solo se explican por la existencia de un tipo de materia oscura, la denominada "tibia", correspondiente a partículas en las escalas de energías de los miles de electrón Voltios o kilo electrón Voltios”.

En tanto el astrofísico Manuel Meyer, que trabaja en el Centro Oskar Klein de la Universidad de Estocolmo, en Suecia, también pretende hallar materia oscura de manera indirecta, con el Telescopio Fermi. “Tenemos una evidencia clara de que la materia oscura existe y diferentes métodos y experimentos para identificarla. Ahora tenemos que hacer uso de experimentos y observaciones para testear diferentes teorías para resolver uno de los grandes y misteriosos rompecabezas de la física moderna”.

Valeria Román

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