¿Qué está pasando con la materia oscura del Universo?

Bárbara Álvarez González, Universidad de Oviedo

¿Ha llegado la hora de considerar que la materia oscura no existe? ¿Es el momento de buscar otras alternativas para explicar de qué está hecho el 80 % del Universo desconocido? En estos momentos, algunos científicos consideran la posibilidad de que la materia oscura no sea materia, sino un artefacto causado por la incompleta comprensión de la teoría de la gravedad.

En el origen del Universo

A día de hoy, existe consenso entre los científicos acerca de que la teoría que mejor describe el origen del Universo es la del Big Bang. Así, el Universo nació hace unos 13 800 millones de años a partir de una singularidad infinitamente densa que explotó. La explosión generó una gran cantidad de energía y materia. Y todo aquello ha estado expandiéndose desde entonces.

Sorprendentemente, solo conocemos y comprendemos un 5 % de la materia que existen en el Universo. Incluso de este pequeño porcentaje hay aspectos que no hemos conseguido explicar, como la diferencia entre materia y antimateria.

La física de partículas elementales y el estudio de las interacciones entre ellas intenta desvelar el estado y la evolución del Universo. Y entre todas las incógnitas por resolver, determinar la naturaleza de la materia oscura es una de las más importantes de la cosmología moderna y la física de partículas.

Sabemos que el Universo está hecho de materia visible y materia oscura. En especial, la materia visible, también conocida como materia ordinaria o materia bariónica, es todo aquello formado por leptones (partículas elementales) y bariones (formados por quarks, que son también partículas elementales). De este tipo es tan solo el 20 % de la materia del Universo, el 80 % restante es materia oscura.

Además de su composición, sabemos que debe existir un agente que explique la expansión acelerada del Universo, que por el momento se atribuye a la llamada energía oscura.

El hallazgo de Vera Rubin

La materia oscura junto con la energía oscura componen prácticamente el 95 % del Universo. No la podemos ver, ya que no emite ningún tipo de radiación electromagnética.

Muchas de las evidencias de su existencia provienen del estudio de los movimientos de las galaxias. El análisis del fondo cósmico de microondas también aporta información sobre la cantidad de materia visible y oscura que existe.

En 1933 Fritz Zwicky propuso la existencia de una masa invisible que podía influir en la velocidad de rotación de las galaxias. La pionera Vera Rubin, con sus medidas sobre la curvatura de la velocidad de rotación de las estrellas dentro de galaxias espirales, descubrió que estas curvas se mantienen planas.

El hallazgo de Vera Rubin contradecía el modelo teórico que predecía que las estrellas más alejadas del centro de la galaxia tendrían menor velocidad. Este hecho no se puede explicar solo con la existencia de materia visible y su masa gravitacional asociada, sino que tiene que existir otra forma de materia que proporcione también energía gravitacional. Esta es la evidencia más directa y robusta de la existencia de materia oscura.

A partir de ese momento, y durante las décadas posteriores, se han recopilado más evidencias relacionadas con la materia oscura, hasta el punto de que hoy la gran mayoría de los científicos aceptan su existencia.

Experimentos de primer nivel en busca de la materia oscura

La materia oscura está compuesta por partículas que no absorben, reflejan, o emiten luz, no puede ser vista directamente, y desconocemos su composición.

Los científicos han diseñado diferentes estrategias para encontrar estas posibles partículas candidatas a materia oscura. Dar con ellas es uno de los mayores desafíos actuales de la física.

Existen diferentes estrategias de búsqueda de materia oscura, directa, indirecta o con aceleradores de partículas.

El progreso tecnológico en las últimas décadas ha sido enorme. Hay decenas de experimentos activos dedicados a comprender la naturaleza de la materia oscura con instrumentos de alta precisión y sensibilidad.

Estos experimentos están repartidos por todo el mundo, incluso hay uno en la Estación Espacial Internacional (ISS), y son parte de colaboraciones internacionales de decenas de científicos.

Los experimentos ANAIS, DAMA, XENON100 y LUX utilizan técnicas de detección directa; MAGIC, HESS, VERITAS, Fermi y AMS (en la ISS), entre otros, se basan en técnicas indirectas, para la observación de lo que ocurre en la naturaleza buscando partículas elementales.

En el primer caso, a partir de medias directas, se estudian partículas que surgen de colisiones de partículas de materia visible con partículas de materia oscura, y en el segundo caso, a partir de medias indirectas, se estudian partículas de colisiones entre partículas de materia oscura exclusivamente.

El LHC “fabrica” partículas de materia oscura

En aceleradores de partículas tan energéticos como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, Organización Europea para la Investigación Nuclear, se pueden recrear las condiciones de segundos después del Big Bang y producir o “fabricar” partículas de materia oscura a partir de colisiones de protones muy energéticos.

Los aceleradores son dispositivos que permiten incrementar la energía cinética de las partículas cargadas estables.

El LHC es el último de una cadena de aceleradores que consigue alcanzar energías de hasta los casi 7 TeV (tera electrón voltios) por cada haz de protones. Alrededor de los puntos de colisión se colocan los detectores que pueden medir e identificar las partículas que se producen en cada colisión, para luego poder estudiarlas.

Los experimentos ATLAS y CMS son los encargados de estas búsquedas en el LHC del CERN. Estos experimentos son los mismos que tras una larga búsqueda descubrieron el bosón de Higgs en 2012 completando así el Modelo Estándar de la Física de Partículas y abriendo una nueva era en el campo.

Este logro fue reconocido en 2013 con el Premio Nobel de Física y con el premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica.

La dificultad que tiene el identificar partículas candidatas a materia oscura en estos tipos de experimentos es que la materia oscura interacciona muy débilmente con la materia y es prácticamente imposible en estos casos encontrar su rastro o traza.

Indagando en procesos desconocidos

Incorporando teorías más allá del modelo estándar como la supersimetría, modelos simplificados con bosones escalares, o modelos del sector oculto o sector oscuro, se llevan a cabo búsquedas a partir de sus desintegraciones en partículas ordinarias que sí se pueden observar. Estas búsquedas nos llevan a estudiar procesos desconocidos que quizá sean los que al fin nos permitan comprender la composición de la materia oscura, algo que sobrepasaría la frontera del conocimiento actual.

Hasta la fecha no se ha encontrado nada acerca de los posibles candidatos a materia oscura, es una gran incógnita, un misterio aún sin resolver que lleva décadas sin respuesta. Y entre los físicos empieza a haber opiniones discordantes.

No tenemos ningún resultado concluyente en ninguna de las estrategias de búsquedas empleadas en acelerados o astropartículas y todas las posibilidades están abiertas.

Hay científicos que empiezan a plantearse que no existe

El año pasado se publicó un artículo en The Astrophysical Journal que proponía definir la materia oscura como una modificación de la gravedad. Este artículo proponía que en realidad no hay materia oscura, sino que hay partes de la fuerza de la gravedad que no entendemos bien. Su publicación generó un enorme revuelo y entusiasmo, pero enseguida se publicaron respuestas señalando incongruencias que los autores del artículo no tenían en cuenta. Así que por ahora seguimos pensando que hay materia oscura.

Hay grandes expectativas para la detección de materia oscura en los próximos años, aunque, muy probablemente, la respuesta no vendrá de uno solo de estos estudios sino del conjunto de todos ellos. La búsqueda continúa.

Bárbara Álvarez González, Investigadora Ramón y Cajal del Grupo Experimental de Altas Energías de la Universidad de Oviedo, ICTEA, Departamento de Física, Universidad de Oviedo

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.

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