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Ciencia

El lado oscuro del Universo

Físicos seleccionan partículas que podrían componer la materia que aún no puede ser detectada

Simpzillas y wimpzillas. Nada que ver con Godzilla, el monstruo prehistórico japonés con forma de dragón que, al menos en el cine, desde hace casi 50 años aterroriza a la población de Tokio. Simpzillas y wimpzillas son dos familias de partículas subatómicas especiales, que en los últimos años han fomentado el vuelo de la imaginación de los físicos. Y no sin motivo: estas partículas podrían explicar la estructura actual del Universo. Aún no han sido encontradas, pero en caso de que realmente existan, resolverían un problema de antigua data, planteado en 1933 por el astrofísico búlgaro Fritz Zwicky, un estudioso de los conjuntos de galaxias, quien sostuvo que la materia común (formada por protones, neutrones y electrones) por sí sola era insuficiente para explicar cómo permanecían unidas las galaxias tan solo por la fuerza de la gravedad, la única fuerza capaz de actuar en espacios tan vastos. Tal cohesión únicamente sería posible si existiera cien veces más materia que aquello que eraposible observar. Zwicky denominó a aquello que no pudo ver como materia oscura, pues no absorbe ni emite luz.

Al ser partículas hipotéticas, las simpzillas y las wimpzillas pueden ser precisamente los tan buscados componentes de la materia oscura, responsable por el 85% de la masa del Universo – seis veces la cantidad de materia común concentrada en los planetas, estrellas y nubes de gas. Aunque que no se ha detectado todavía la existencia de estas partículas exóticas, ya se ha avanzado en la selección de hipótesis que puedan explicar de qué esta hecha la materia oscura. En un estudio publicado el 6 de junio en Physical Review Letters, una de las más importantes revistas científicas del área, la física brasileña Ivone Freire da Mota e Albuquerque, que en la actualidad se encuentra en la Universidad de California en Berkeley, Estados Unidos, prácticamente elimina la posibilidad incluso de que las simpzillas existan, al menos tal como se las imaginaba, ya que hasta ahora no han sido registradas por los actuales telescopios de neutrinos y detectores de partículas.

De este modo, las wimpzillas salen fortalecidas, aunque todavía no se sabe cómo se las podría reconocer. Esta perspectiva realza el valor de la construcción de nuevos observatorios, como el IceCube, que los estadounidenses inaugurarán dentro de dos años en la Antártida, y el Pierre Auger, un proyecto multinacional que se encuentra en su fase final de construcción en Argentina, y que cuenta con la participación de grupos de investigación de São Paulo, Río de Janeiro y Bahía. “Existe una real posibilidad de detectar las partículas formadoras de la materia oscura”, afirma el físico Brian Fick, de la Universidad de Utah, Estados Unidos, que desde hace diez años sigue de cerca el avance del Auger.

Independientemente de las comprobaciones, existen indicios de que la materia oscura realmente existe. Concentrada en una especie de esfera alrededor de las galaxias, funcionaria como un tipo de cola que mantiene al Universo unido. Dos años atrás, físicos franceses, con base en informaciones recabadas por medio de un telescopio emplazado en Hawai, elaboraron un mapa tridimensional de un fragmento del Universo que muestra el desvío en la trayectoria de la luz provocado por la materia oscura, exhibida como una red que sostiene a las galaxias. Pero lo que aún parece ser más difícil de resolver es el problema planteado hace 70 años: ¿de qué esta hecha la materia oscura?

Al igual que en una campaña electoral, existen varios tipos de partículas candidatas a ocupar ese lugar. Las simpzillas y las wimpzillas, bastante populares entre los físicos, difieren únicamente en la forma de interacción con la materia común. Las simpzillas interactúan fuertemente con la materia común, tal como lo indica su propio nombre, una abreviatura de Strongly Interacting Massive Particle. En tanto, con la wimpzillas – sigla de Weakly Interacting Very-Massive Particle -, sucede lo contrario. La partícula zilla indica apenas que tiene una masa muy elevada, hasta 100 mil millones de veces superior a la de un protón, que es de 1 gigaelectrón-voltio ó 1 GeV – originalmente utilizado como unidad de energía, el electrón-voltio también indica la masa de las partículas, y obedece así a la equivalencia entre masa y energía planteada por Einstein en su famosa fórmula (E=mc²), que establece que la energía (E) corresponde a la masa de la partícula (m) multiplicada por la velocidad de la luz (c) elevada al cuadrado.

Neutralinos en alza

Invisibles a los telescopios, pues no emiten luz, las dos “zillas” solamente podrían ser identificadas en forma directa cuando al atravesar la Tierra entrasen en colisión con detectores de partículas instalados en laboratorios ubicados centenas de metros debajo de la superficie. O de manera indirecta, mediante el reconocimiento de otro tipo de partículas bastante energéticas, los neutrinos, emitidos cuando las simpzillas se chocan y se aniquilan en el centro del Sol, y lo propio sucedería con las wimpzillas. Pero, como por ahora solamente es posible observar a las candidatas a formar la materia oscura cuando interactúan con la materia común, al menos en teoría sería más fácil detectar a las simpzillas que a las wimpzillas.

En el artículo publicado en Physical Review Letters, escrito en sociedad con Laura Baudis, de la Universidad Stanford, Estados Unidos, Ivone analizó las características de dos de los principales observatorios de partículas componentes de la materia oscura actualmente en funcionamiento: el Edelweiss (Expérience pour Detecter les Wimps en Site Souterrain, o Experimento Subterráneo para la Detección de Wimps), dotado de detectores de germanio purísimo instalados a 1.600 metros de profundidad en los Alpes franceses, y el CDMS (Cryogenic Dark Matter Search, o Búsqueda Criogénica de Materia Oscura), con detectores de germanio y silicio armados a 12 metros de profundidad debajo del campus de la Universidad Stanford.

Proyectados para detectar un tercer tipo de partículas candidatas a componer la materia oscura – los neutralinos, similares a las wimpzillas, debido a que interactúan poco con la materia común, pero con una masa millones de veces menor -, estos dos laboratorios podrían también observar fácilmente a las simpzillas en su forma supuestamente más natural, con una masa de 1.000 GeV.

Después de comparar los datos recientes captados por los equipos con las previsiones teóricas para las simpzillas, Laura e Ivone concluyeron: las simpzillas no existirían. Al menos, no con la masa prevista. “En caso de que existiesen con esa masa, ya habrían sido detectadas”, afirma Ivone. Pero ese razonamiento no excluye totalmente la posibilidad de que las simpzillas existan. Puede ser que tengan una masa al menos mil veces mayor y entonces solamente serían captadas por los otros dos observatorios en construcción actualmente, el Pierre Auger, en Argentina, y el IceCube, en la Antártida, que estarían en mejores condiciones de filtrar las partículas más energéticas.

Pero, de cualquier manera, las chances de las simpzillas parecen ser escasas. Salen fortalecidos los modelos que prevén una materia oscura compuesta de partículas que interactúan poco con la materia común, como las wimpzillas y sus similares de menor masa, los neutralinos, también llamados wimps (partículas de masa elevada que interactúan débilmente). Los neutralinos son los que actualmente responden mejor a las exigencias impuestas por las simulaciones en computadora y por el modelo más aceptado hoy en día para explicar el origen del cosmos: el Big Bang, la gigantesca explosión que habría acaecido hace 13.700 millones de años y que habría dado origen al Universo.

Teóricamente los neutralinos serían partículas lo suficientemente estables – no se transformarían fácilmente en otras – a punto tal de existir desde el Big Bang. Debido a que se mueven a velocidades inferiores a la de la luz, serían capaces de interactuar entre sí y de aglomerarse, generando así una fuerza gravitacional suficiente como para unir a la materia común en galaxias.

La hipótesis de los neutralinos, bien estructurada por los físicos, explica muy bien la estructura de los aglomerados de millares de galaxias, pero no explica muy bien la existencia de galaxias aisladas. Era de esperar que la concentración de masa – tanto la materia común como la materia oscura – aumentase progresivamente de los bordes en dirección al centro en galaxias espirales como la Vía Láctea, hasta alcanzar el valor máximo en el núcleo, donde la densidad de la materia es probadamente mayor. Las observaciones muestran que, a partir de un determinado punto, la concentración de materia oscura en esas galaxias se vuelve constante, en una señal indicativa de que el modelo teórico de los neutralinos precisa quizá pasar por algunos ajustes. Las propuestas alternativas – existen por lo menos otras cuatro – tampoco resuelven esa dificultad.

Precisamente debido a que la teoría aún no logra coincidir con la realidad, Fritz Zwicky lanzó la idea de la materia oscura. Desde entonces no ha habido más consenso con relación a la composición del cosmos. Se está haciendo referencia incluso a varios tipos de materia oscura, que de acuerdo con la preferencia de los físicos, puede ser fría, formada por las zillas y por neutralinos, que viajarían relativamente despacio; caliente, con partículas tan veloces que no se agruparían jamás en galaxias; repulsiva; de otro tipo, que interactúa fuertemente en sí misma, o incluso de una categoría que se aniquilaría emitiendo radiación.

Cada cual elige.”Sin la materia oscura, el Universo habría permanecido siendo demasiado uniforme como para permitir la formación de galaxias, estrellas y planetas”, comentan los físicos Jeremiah Ostriker y Paul Steinhardt, ambos de la Universidad Princeton, Estados Unidos, en un artículo publicado en la revista Science el pasado 20 de junio. La mayoría de los físicos apuesta: si el modelo del Big Bang está efectivamente correcto y el Universo está en expansión, alrededor del 27% del cosmos está compuesto de materia oscura, y el 70% de una forma de energía también desconocida: la energía oscura. La materia común, que forma todo lo que conocemos, sería el 3% restante.

Para corregir a Newton

Pero hay físicos – un grupo restringido, a decir verdad – que dudan acerca de la existencia de la materia oscura. Como alternativa proponen una salida que sonó como una herejía cuando fue planteada hace 20 años por el físico israelí Mordehai Milgrom, hoy en día en el Instituto Weizmann de Israel. Según el investigador, nada sería erróneo con relación a la masa de las galaxias en rotación. El error residiría allí donde pocos osarían apuntarlo: en la fórmula de la fuerza de atracción entre los cuerpos, la Ley de la Gravitación Universal, deducida en 1665 por el físico inglés Isaac Newton.

La velocidad de las nubes de gas de una galaxia, que giran en torno de un eje imaginario, disminuye acorde al aumento de la distancia con relación al centro, según la ley de la gravedad. Pero Milgrom constató que esa velocidad se volvía constante a partir de una determinada distancia – he allí un detalle incoherente con la Ley de Newton. “Analicé las propiedades de las galaxias y busqué aquéllas que mostraban grandes diferencias con relación a lo que se observa en el Sistema Solar, en donde la Ley de la Gravitación de Newton reconocidamente funciona bien”, le comentó Milgrom a Pesquisa FAPESP .

“Me di cuenta de que en sistemas galácticos la aceleración es mucho menor que la observada en el Sistema Solar o en la Tierra. La atracción gravitacional en los extremos de la Vía Láctea es 100 mil millones de veces menor que la de un cuerpo en caída libre en la Tierra”. La conclusión a la que arribó Milgrom es que la ley de Newton funcionaba bien en las regiones del espacio con aceleración muy elevada, pero no así en regiones en donde la aceleración es pequeña, como en los aglomerados de galaxias.

La alternativa fue alterar la ley de Newton, entonces denominada Dinámica de Newton Modificada o sencillamente Mond (Modified Newtonian Dynamics), que hasta ahora ha explicado de manera satisfactoria las observaciones de galaxias espirales realizadas por satélites como el Chandra. Mas tampoco es perfecta y crea obstáculos a la hora de analizar los aglomerados que contienen millares de galaxias. “Los resultados de la aplicación de Mond en los aglomerados indican que esta dinámica atenúa el problema de la materia oscura, pero no lo resuelve”, comenta el físico Reuven Opher, de la Universidad de São Paulo (USP), que emplea este abordaje en el estudio de aglomerados de galaxias.

“La diferencia entre usar Mond y la gravitación newtoniana reside en que la cantidad de materia oscura que se infiere que existe es menor en el primer caso”. Mientras Milgrom intenta perfeccionar su modelo, los físicos que creen en la existencia de la materia oscura planean realizar pruebas que revelen finalmente la naturaleza de esta enigmática porción del Universo. En el artículo publicado en Science, Ostriker y Steinhardt estimulan la búsqueda de alternativas variadas: sucede que en ciertos casos, las pistas importantes aparecen donde menos se las espera.

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