Datos inéditos obtenidos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Cern), proporcionaron una pista importante en la búsqueda del origen de la materia oscura, que compone el 85 % de toda la materia del Universo, pero cuya naturaleza se desconoce. El experimento Alice, uno de los cuatro proyectos que se llevaron a cabo en el mayor acelerador de partículas del mundo, situado en las afueras de la ciudad de Ginebra, en Suiza, aportó evidencias de que los núcleos ligeros de antihelio, también llamados antinúcleos de helio, pueden viajar largas distancias en el interior de la Vía Láctea, y determinó la frecuencia con que este tipo de antimateria llegaría a los alrededores de la Tierra. Según un estudio publicado a principios de diciembre por miembros del citado experimento en la revista científica Nature Physics, la mitad de esos núcleos de antihelio originados en procesos vinculados a la presencia de materia oscura pueden atravesar la galaxia sin ser destruidos.
Los datos indican que este tipo bastante raro de antimateria podría utilizarse en el espacio como un rastreador de la génesis de la materia oscura, uno de los mayores misterios de la cosmología. “Nuestros hallazgos demuestran que la búsqueda de núcleos leves de antimateria procedentes del espacio sideral constituye una forma poderosa de localizar la materia oscura”, dijo en un comunicado a la prensa el físico italiano Luciano Musa, del Cern y vocero del experimento, una colaboración internacional que congrega a 2.000 científicos de 40 países, Brasil inclusive. Cierto instrumental, como el espectrómetro Alpha Magnetic, instalado en la Estación Espacial Internacional, o el envío de globos de observación, teóricamente pueden ser capaces de medir los núcleos ligeros de antimateria y, en consecuencia, rastrear mejor la presencia de materia oscura. “El artículo es un trabajo multidisciplinario, que aglutina física de partículas y cosmología, investigadores experimentales y teóricos”, comenta el físico David Chinellato, de la Universidad de Campinas (Unicamp), miembro del experimento Alice, quien pasa una temporada de dos años en el LHC y es uno de los autores del estudio.
Tal como se lo explica en la teoría física, la antimateria se genera al mismo tiempo que la materia, de la cual es una versión con algunas propiedades idénticas, como la masa y la energía, pero con carga eléctrica y ciertos parámetros cuánticos de valor inverso. El electrón, por ejemplo, es una partícula con carga negativa. Su homóloga, la antipartícula positrón, es positiva (esta antipartícula se utiliza en la tomografía por emisión de positrones, un examen conocido por su sigla en inglés: PET). Cuando una partícula colisiona con su respectiva antipartícula, se aniquilan mutuamente y producen energía. Era esperable que la cantidad de materia y antimateria existente en el Universo fuera la misma. Sin embargo, por motivos en parte desconocidos, el predominio de la materia sobre la antimateria es casi total, lo que convierte al Cosmos en un ambiente letalmente inhóspito para las antipartículas. La novedad del trabajo en el LHC reside en que se demostró que los núcleos de antihelio tienen una supervivencia mucho mayor de lo que parecía posible.
Nasa/ESA/ D. Harvey/R. Massey/ Hubble SM4 ERO Team/ST-ECFImagen de la agrupación galáctica Abell 370 con la presencia de la materia oscura prevista en su entorno (mancha azulada)Nasa/ESA/ D. Harvey/R. Massey/ Hubble SM4 ERO Team/ST-ECF
Existen dos procesos vinculados a la producción de núcleos leves de antimateria: las colisiones de alta energía entre los rayos cósmicos y el medio interestelar, el espacio entre las estrellas de una galaxia que, pese a que parezca vacío, contiene algo de materia, especialmente hidrógeno; y la interacción débil entre los componentes de las partículas de la escurridiza materia oscura. “El papel de los rayos cósmicos en la generación de antimateria está documentado. El de la materia oscura por ahora es una hipótesis, prevista por varios modelos”, comenta el físico experimental Mauro Cosentino, de la Universidad Federal del ABC (UFABC), quien forma parte del equipo brasileño del Alice que firma el trabajo. “Empero, a priori, no puede saberse cuál de los dos procesos ha generado un eventual núcleo de antimateria detectado en el espacio. Lo que hace el artículo es proveer un parámetro que podría ser útil para discriminar el mecanismo que habría producido el antinúcleo”.
Tasa de supervivencia
Los investigadores del Alice analizaron los resultados de las colisiones entre protones y núcleos de plomo estimuladas en el LHC. Estas generaron núcleos de un isótopo (una forma) de la antipartícula de helio, el antihelio-3, compuesto por dos antiprotones y un antineutrón. Esta forma de antimateria interactúa con la materia que compone los detectores del experimento. En este proceso, esos antinúcleos en parte desaparecen, mientras que otra parte se mantiene. Grosso modo, los detectores registran cuántos núcleos de antihelio se produjeron debido a las colisiones iniciales de los protones y núcleos de plomo y cuántos quedaron luego de la interacción entre la materia y la antimateria. De esta manera, los físicos determinaron el índice de supervivencia de los núcleos de antihelio en ese escenario. A continuación, mediante el empleo de modelos computacionales, utilizaron ese valor para simular cuál sería la probabilidad de que los antinúcleos ligeros de helio-3 (3He) generados en la Vía Láctea atravesaran la galaxia sin destruirse y llegaran a las cercanías de la Tierra.
Para los antinúcleos derivados de la interacción entre la materia oscura, la mitad de las antipartículas llegarían hasta nuestro planeta. En el caso de los antinúcleos originados por el contacto de los rayos cósmicos con el medio interestelar, entre un 25 % y un 90 % de las antipartículas serían capaces de sobrevivir y atravesar la Vía Láctea. A pesar de que las cifras generadas por los dos procesos podrían coincidir si la tasa de superviencia se ubicara aproximadamente en un 50 %, la antimateria oriunda de los rayos cósmicos tendría energías más altas que las provenientes de la materia oscura. “Esta diferencia permitiría distinguir cuál es la fuente de los antinúcleos de helio”, explica Chinellato. “Así, pues, dispondríamos de una firma energética del origen de la antimateria”.
Tan solo un 15 % de la materia del Universo está compuesta por la materia bariónica, “normal”, que forma las galaxias, estrellas y planetas visibles en alguna longitud de onda. El resto está formado por un tipo de materia invisible, la materia oscura, que no refleja, absorbe ni emite luz. No se sabe de qué está hecha la materia oscura. Su existencia se determina solamente en forma indirecta, por el enorme efecto de su fuerza gravitatoria en el Universo.
Artículo científico
The Alice Colaboration. Measurement of anti-3 He nuclei absorption in matter and impact on their propagation in the Galaxy. Nature Physics. 12 dic. 2022.
