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Cosmología

Una búsqueda incesante

En el marco de experimentos internacionales, se empiezan a buscar partículas cada vez más ligeras con la esperanza de encontrar la materia oscura

Imagen compuesta de un tramo del Universo de un tamaño equivalente al de 420 lunas llenas en donde la materia oscura (rosa/violeta) aparece en torno de la materia normal (amarillo). El fondo negro serían las áreas vacías

Kilo-Degree Survey Collaboration/ H. Hildebrandt & B. Giblin/ ESO

El rastreo de la materia oscura en la naturaleza, ese misterioso componente del Universo cuyo efecto gravitatorio sería responsable del mantenimiento de la configuración de las galaxias y de los cúmulos de galaxias, ha producido resultados inciertos durante las últimas tres décadas. Varios tipos de estructuras o partículas, algunas conocidas, tales como los agujeros negros primigenios o los neutrinos, y otras de carácter teórico, fueron postuladas como candidatas a erigirse en el material constitutivo de la materia oscura, que representa alrededor de una cuarta parte de la composición total del Cosmos. Con todo, por ahora ninguna de ellas pasó de la condición de postulante. En la actualidad, la teoría con más defensores y la más testeada en una decena de experimentos internacionales es la de las Wimps. Esta sigla en inglés se emplea para designar a unas partículas hipotéticas con una masa muy elevada, entre una y miles de veces mayor que la del protón, que se habrían generado en los albores del Universo e interactuarían débilmente entre sí y con la materia normal. Como nadie sabe exactamente cuán pesadas serían las Wimps, los experimentos buscan nuevas partículas en diferentes rangos de masa. Cada vez que la existencia de Wimps con determinadas características queda descartada, el margen de exploración para este tipo de partícula se torna más estrecho.

Un estudio ideado por el equipo de la física Ivone Albuquerque, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), acaba de restringir un poco más el rango de masa posible de las Wimps. El trabajo, que se elaboró con los datos recopilados en los 530 días de observación a cargo de la colaboración internacional DarkSide-50, que opera con un detector subterráneo en el Laboratorio Nacional Gran Sasso, en el centro de Italia, registró evidencias de la existencia de partículas con masas entre 1,8 y 6 gigaelectronvoltios (GeV), cuya frecuencia de interacción con el dispositivo es bien definida. A título comparativo, la masa de un protón es, grosso modo, de casi 1 GeV. Entre los experimentos en cuyos marcos se buscan las Wimps, tales como el Large Underground Xenon (Lux) y el Cryogenic Dark Matter Search (CDMS), ambos en Estados Unidos, solamente el Xenon 100 también buscó partículas con las mismas características que las exploradas por el DarkSide-50. De cualquier modo, los datos de este experimento son bastante más abarcadores que los del Xenon100, según Albuquerque. “Fue un resultado sorprendente”, comenta la física, quien coordina la participación brasileña en la colaboración internacional, que congrega a alrededor de 150 científicos de ocho nacionalidades distintas. “Nuestro detector del DarkSide-50, que se encuentra en Italia, aún es pequeño y no fue proyectado para el registro de partículas tan leves. Normalmente estamos buscando Wimps con masas en un rango entre 10 y 100 GeV”. Los resultados fueron descritos en un trabajo publicado por la colaboración internacional el 20 de febrero en el arXiv, un repositorio de artículos científicos, y los presentaron en un simposio internacional sobre materia oscura que se llevó a cabo en la Universidad de california en Los Ángeles (Ucla).

La materia oscura representaría alrededor del 25% de la composición del Universo, donde un 5% conformaría la materia visible normal, también denominada materia bariónica y, aproximadamente un 70% sería energía oscura. La mayoría de los físicos le atribuye a su existencia el rol de mantener la cohesión de las galaxias. Esas estructuras del Universo giran a una velocidad tan elevada que, si estuvieran compuestas solamente por materia normal, se habrían desintegrado hace ya mucho tiempo. Solamente la gravedad generada por la porción visible del Cosmos no resulta suficiente para mantener unidas a las galaxias. Por ende, necesariamente debe existir alguna forma de materia que no interactúe con la luz y que tenga un efecto gravitacional mucho mayor que el de la parte visible del conjunto de galaxias. Esa forma fue denominada con el nombre genérico de materia oscura. “Las partículas de material oscuro nos atraviesan” arriesga la física argentina Graciela Gelmini, de la Ucla, que estudia partículas candidatas a ser reconocidas como materia oscura. “Ellas se desplazarían por toda la galaxia a velocidades de unos 300 kilómetros por segundo (k/s)”.

En 1998, un grupo italiano anunció que había detectado la materia oscura, pero ese hallazgo nunca pudo confirmarse

La velocidad a la que la materia oscura se desplazaría desestima algunas posibilidades y restringe los tipos de partículas que podrían constituirla. La mayoría de los modelos cosmológicos prevé que la materia oscura sería fría, o acaso tibia. “La existencia de materia oscura caliente quedó descartada mediante las observaciones cosmológicas”, explica el físico Rogério Rosenfeld, del Instituto de Física Teórica de la Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp). El concepto de materia oscura fría o cálida está asociado a la velocidad de esas partículas misteriosas. La materia oscura caliente se desplazaría a velocidades relativistas, cercanas a la de la luz, que es de alrededor de 300 mil k/s, mientras que la fría se movería a una velocidad muy inferior. “Empero, si la materia oscura se desplazara a velocidades relativistas, la materia bariónica no se habría concentrado y originando la distribución de galaxias y cúmulos de galaxias que conocemos”, comenta Rosenfeld, quien participa en el Dark Energy Survey (DES), un estudio internacional que mapea las estructuras visibles del Universo, como son las galaxias y estrellas.

En enero de este año, un grupo de científicos del DES publicaron en la versión online del periódico científico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society el mayor mapa de la concentración de la materia mediante el empleo de la técnica denominada lentes gravitacionales débiles. Este método permite inferir la presencia de materia oscura por medio de una pequeña distorsión que la misma provoca en la trayectoria de la luz proveniente de las galaxias lejanas. “Pudimos observar la deformación causada en las imágenes de esos objetos”, describe la física Flávia Sobreira, de la Universidad de Campinas (Unicamp), quien participa en el DES y es una de las autoras del estudio. “Esos datos apuntalan la idea de que la materia oscura es fría”. En el estudio se mapearon imágenes de las 26 millones de galaxias visibles en el hemisferio sur, alrededor de las cuales se detectan halos de materia oscura. Los datos de la observación del Cosmos no pretenden identificar posibles partículas que puedan ser constituyentes de la materia oscura, sino que aportan algunos parámetros importantes para orientar la búsqueda. Según Rosenfeld, los estudios recientes sugieren que la menor masa posible de la materia oscura templada compatible con la distribución conocida de la materia visible en el Cosmos sería un millón de veces menor que la del protón, del orden de unos 5 mil electronvoltios (eV). Las Wimps no podrían ser tan livianas, pero los neutrinos estériles, un tipo hipotético de partículas elementales, podrían tener masas así de pequeñas. El problema reside en que tampoco hay indicios de la existencia de ese tipo de neutrinos. La búsqueda de la esencia de la materia oscura se centra entonces en la detección de Wimps.

A. Brigatti/ INFN-MI El detector del que consta el experimento DarkSide-50, en Italia, que busca partículas del tipo WimpA. Brigatti/ INFN-MI

La interacción con dos fuerzas
Los modelos cosmológicos dominantes contemplan que, si las Wimps fueran las constituyentes de la materia oscura, la masa de esas partículas sería equivalente a la de al menos 100 protones. El problema radica en que los físicos buscan desde hace más de 20 años partículas en torno a ese rango de masa y no han encontrado nada. Sin embargo, algunos modelos recientes empezaron a considerar la posibilidad de que la materia oscura pueda estar constituida por Wimps con masas menores, de menos de 10 GeV. Algunos experimentos, como el DarkSide-50, que fue concebido para intentar detectar Wimps con masas superiores a 10 GeV, comenzaron entonces a buscar partículas que pudieran encajar en esa definición. Las teorías más aceptadas sobre las Wimps contemplan que dichas partículas interactuarían entre sí y con la materia normal tan sólo por medio de dos de las cuatro fuerzas que componen la física: la gravedad y la interacción débil (ligada a los procesos de decaimiento del núcleo atómico o decaimiento beta). No estarían sujetas a los efectos del electromagnetismo ni de la fuerza nuclear fuerte (interacción fuerte).

El DarkSide-50, en operación desde 2013, cuenta con un detector compuesto por una cámara que contiene 50 kilogramos de argón líquido. Junto con el xenón y, en ocasiones, el germanio, ese elemento es uno de los más utilizados en los experimentos subterráneos de búsqueda de las Wimps. El dispositivo sería capaz de detectar los destellos lumínicos que producen los choques de partículas materiales con el núcleo de esos elementos. “El xenón es el más utilizado, pero el argón tiene un costo 400 veces menor y hace posible la construcción de detectores más baratos”, comenta Albuquerque. Para 2021, el proyecto DarkSide, que está coordinado por el Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia y por la Universidad de Princeton, en Estados Unidos, contempla la instalación de un nuevo detector, en este caso más potente, que contendrá 20 toneladas de argón.

La elección de instalar esos dispositivos bajo tierra es una forma de evitar que las señales asociadas a la materia oscura se confundan con contaminaciones provenientes del espacio o de la atmósfera. Tan sólo en un sitio en el mundo, a alrededor de 1.400 metros debajo de las montañas del macizo Gran Sasso, en los Apeninos, Italia, hay seis experimentos independientes de grupos diferentes que buscan posibles partículas de materia oscura: Xenon100, Sabre, Dama, Cresst, Cosinus y el ya mencionado DarkSide.

Dag Larsen/ IceCube/ NSF El observatorio IceCube, en los alrededores del Polo Sur, estudia posibles interacciones entre Wimps y neutrinosDag Larsen/ IceCube/ NSF

La prospección de Wimps también puede darse en forma indirecta. Éste es el caso del proyecto IceCube, coordinado por la Universidad de Wisconsin-Madison, de Estados Unidos, que está proyectado para estudiar neutrinos, un tipo de partícula elemental con masa despreciable producto de eventos astronómicos altamente energéticos. El proyecto consta de una red de detectores subterráneos distribuidos en el interior de un bloque de un kilómetro cúbico de hielo en la Antártida, cerca del Polo Sur. El IceCube sería capaz de detectar los neutrinos que surgirían de posibles interacciones de Wimps con el Sol. Por el momento, al igual que en el resto de los experimentos, no se ha detectado nada significativo.

Hasta ahora, el experimento Dama fue el que obtuvo la noticia más espectacular al respecto de la materia oscura. En 1998, físicos de la Universidad de Roma Tor Vergata anunciaron que habían descubierto una Wimp, con una masa de alrededor de 10 GeV, que sería materia oscura. Los científicos italianos habrían registrado una señal estacional, cuyo pico máximo se produciría alrededor de comienzos del mes de junio, en su detector basado en cristales de yoduro de sodio activados por talio, una tecnología diferente a la empleada en la mayoría de los experimentos. La señal oscilaría en función de las características de la órbita terrestre, que atravesaría una “ráfaga” de materia oscura, en direcciones opuestas, dependiendo de la época del año, mientras cumple gira alrededor del Sol.

Carlos H. Faham El tanque del experimento Lux, que usa un detector con xenón líquido para la búsqueda de materia oscuraCarlos H. Faham

Sin embargo, nadie pudo jamás reproducir los resultados obtenidos por el Dama que, con nuevos detectores, sigue funcionando en los días actuales. El físico Nelson Carlin Filho, del IF-USP, participa en un experimento surcoreano, denominado Cosine-100, que comenzó a recabar datos en el mes de septiembre de 2016. La iniciativa emplea la misma tecnología de detección del Dama e intentará confirmar o refutar los resultados del proyecto italiano. “Tendremos que aguardar dos años hasta empezar a obtener los primeros resultados”, comenta Carlin Filho.

Proyectos
1. Detección directa de materia oscura y el experimento DarkSide (nº 16/09084-0); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigadora responsable Ivone Albuquerque (USP); Inversión R$ 102.060,36
2. Búsqueda de materia oscura: Wimps y fotones oscuros (nº 17/02952-0); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Nelson Carlin Filho (USP); Inversión R$ 155.820,64

Artículo científico
AGNES, P. et al. Low-mass dark matter search with the DarkSide-50 experiment. ArXiv. Online. 20 feb. 2018.

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