Los cazadores de materia oscura esperan que el 2017 sea su año

Puede ser inquietante darse cuenta que sólo el cinco por ciento del universo está hecho del tipo de materia que conocemos y entendemos — desde los planetas, las estrellas, los árboles, los animales, hasta la mesa donde comes cada día.

Casi un cuarto es materia oscura. Se cree que esta une a las galaxias y ha sido llamada “el andamiaje” del universo, pero nunca la hemos detectado directamente. Los científicos creen que pueden ver los rastros de la materia oscura en la forma en que rotan las galaxias, pero aún no tienen idea qué es. (Casi el 70 por ciento del universo es energía oscura, una misteriosa fuerza que permea el espacio y el tiempo. Es, incluso, menos comprendida que la materia oscura).

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Confirmar la existencia de la materia oscura podría cambiar la perspectiva que tiene la humanidad sobre el universo. El 2016 fue un año de decepciones, ya que las grandes búsquedas no arrojaron nada. La mayoría están buscando WIMPs (grandes partículas de débil interacción, por sus siglas en inglés), el principal contendiente a ser una partícula de materia oscura.

2017 puede ser finalmente el año en que encontremos una. Y si no lo hacemos, bueno, quizás nuestras mejores teorías sobre la materia oscura están equivocadas — estamos buscando en los lugares incorrectos y con los instrumentos incorrectos. Quizás la materia oscura, lo que sea que es, es incluso más extraña y sorpresiva de lo que todos predijeron. Quizás no es WIMP, pero otro tipo de partícula muy extraña.

Luego está la posibilidad que la materia oscura no exista, que sea una ilusión. Si este es el caso, tendremos que considerar si acaso hemos estado equivocados a la hora de leer las pistas del universo.

Enterrado en una mina cerca de Sudbury, en el norte de Ontario, está SNOLAB, un gran laboratorio subterráneo donde los científicos están llevando a cabo una serie de experimentos, incluyendo la búsqueda de materia oscura. El complejo es muy limpio y de alta tecnología, por lo que constantemente se le compara con la guarida de un villano de las películas de James Bond. Posee un escudo de dos kilómetros de roca sólida, lo que protege sus detectores de la radiación cósmica, lo que permite examinar cuidadosamente la materia que proviene de la estrellas muertas y del sol. La ciencia que se llevó a cabo acá, ganó el premio Nobel de física el año 2015.

Recientemente viajé a SNOLAB. Para llegar ahí, tuve que vestir traje de minero (incluyendo casco y lámpara), bajar por la tierra en una jaula oscura y caminar por un kilómetro o más, hasta llegar a un laboratorio color blanco reluciente, el que por dentro es más limpio que un cuarto de operaciones, lo que contrasta con la sucia mina de níquel que lo rodea.

Luego de la larga caminata, cualquier persona que quiera entrar a SNOLAB debe desvestirse, bañarse (con jabón y shampoo), vestir un traje libre de pelusas y una malla para el pelo. Cualquier rastro de polvo de la mina, el que es naturalmente radiactivo, puede estropear los experimentos.

Estando ahí conocí al investigador científico, Ken Clark, un agradable científico con barba color arena. Igual que yo, él vestía anteojos de seguridad y un casco. Clark ha trabajado en buscadores de materia oscura como CDMS y LUX y colabora en el detector IceCube, el que está en Antártica. Ahora él trabaja en PICO, un buscador de materia oscura cuyo objetivo es la partícula WIMP. Fue lanzado el 2013, luego que otras dos colaboraciones (llamadas PICASSO y COUPP) se fusionaron.

PICO es un detector de burbujas: un tanque con fluidos a alta temperatura, más alta que su natural punto de ebullición. Si la materia oscura se topa con el núcleo de otra partícula, causa que se forme una pequeña burbuja. La materia oscura pasa a través de la Tierra y de nuestros cuerpos, entonces podría aparecer en el detector bajo tierra, pese a todas las rocas que lo rodean. Esto también es parte del reto: la materia oscura se piensa que interactúa muy raramente con la materia normal, si es que lo hace, por lo que es muy difícil de encontrar.

Clark cree que vamos a encontrar materia oscura en un año o dos. “Son tiempos muy emocionantes”, dijo.

Nuevas búsquedas van a comenzar muy pronto, explicó, y aquellas que están funcionando en este momento, están siendo muy sensitivas. El 2017, dice Clark, es posible que veamos nuevos resultados en PICO, DEAP (un detector distinto que también está en SNOLAB), además del ambicioso proyecto chino, PandaX, y otro en Italia llamado XENON1T. Otros buscadores también comenzarán a funcionar el año 2018.

“Siempre que los modelos sean correctos, podríamos ver algo pronto”, me dijo Clark.

Pese a esto, no hay garantía y las búsquedas de partículas WIMP continúan, pero sin encontrar nada. Por ejemplo, en el verano pasado, el muy sensible LUX (que utiliza xenon líquido como detector y está dentro de una mina en Dakota del Sur) anunció que no vieron ningún WIMP luego de un año de experimentos.

“Yo diría lo contrario”, me dijo Lisa Randall, autor de La materia oscura y los dinosaurios, cuando hablé con ella por teléfono. Si bien ella está de acuerdo que la materia oscura está hecha de WIMP, estas búsquedas podrían encontrar algo muy pronto, “pero es sólo una posibilidad”, dijo.

WIMP es “la fruta que cuelga más abajo”, agregó Randall: esta partícula teórica encaja perfectamente con lo que ya sabemos sobre el modelo estándar de la física, el que explica cómo interactúan los bloques de construcción del universo. Los científicos pueden imaginar formas de encontrar el WIMP, a diferencia de otras teorías más lejanas, las que son muy difíciles de probar sin experimentos.

¿Qué pasa si no es un WIMP?”, se preguntó Randall, “¿Podríamos, de todas formas, aprender algo sobre qué es la materia oscura?”.

Otros científicos tienen diferentes estrategias para resolver el puzzle de la materia oscura.

Leslie Rosenberg, un profesor de física en la Universidad de Washington, en Seattle, está a cargo de proyecto Experimento de materia oscura Axion, o ADMX por sus siglas en inglés, el que busca una partícula teórica llamada axion, la que se cree que es mucho más liviana que un WIMP. También está siendo investigada por otros buscadores que están siendo desarrollados alrededor del mundo, me dijo Rosenberg. Pese a esto, ADMX es “el único buscador de axion de alta sensibilidad en este momento”, me dijo.

Quizás estamos siendo engañados cuando pensamos que la materia oscura está ahí afuera

ADMX utiliza una cavidad de microonda residual dentro de un gran superconductor magnético y comenzó como una colaboración a mediados de los años 90. Rosenberg me dijo que está con alto nivel de sensibilidad desde hace un año y sólo mejorará a medida que el equipo trabaja en hacerle cambios. Ellos esperan que será posible descubrir algo muy pronto: la próxima actualización llegará en el verano del 2017.

“Los axions están atados a nuestra galaxia”, dijo Rosenberg, “Debe haber un montón de ellos y dependemos de ellos para que sean la fuente de nuestra señal”.

Los axions son candidatos populares a ser materia oscura. Otras ideas son mucho más extrañas.

“Personalmente estoy interesado en la idea que la materia oscura posiblemente no tiene nada que ver con el modelo estándar”, me dijo Randall, “Una de las posibilidades es que podría ser otro tipo de partícula. Quizás interactúa [consigo misma] a través de su propia luz, un fotón oscuro”.

Randall cree que una de las mejores formas de aprender sobre la materia oscura podría ser estudiar la estructura de las galaxias y ver cómo funciona el universo, con el fin de entender cómo interactúa consigo mismo. La misión Gaia de la Agencia espacial europea, la que está creando un mapa tridimensional de más de un millón de estrellas, podría darnos una visión sobre esto, dijo Randall.

Asimina Arvanitaki. una física teórica en el instituto Perimeter de física teórica, me sugirió a través de Skype que la materia oscura podría ser detectable a través de detectores de masa resonante, los que son utilizados para buscar ondas gravitacionales. Estas ondulaciones en el espacio-tiempo fueron detectadas por primera vez el año 2016, cien años después que Albert Einstein predijera su existencia.

La materia oscura también podría comportarse como una onda, “atrapada por la gravedad y la oscilación, a una frecuencia dada por la masa”, ella dijo.

“Lo divertido es que incluso es posible que escuchemos la materia oscura”, dijo Arvanitake, “Depende de la frecuencia”.

Durante millones de años, los humanos han inventado formas ingeniosas de investigar el mundo que nos rodea, desde Copérnico a Kepler, pasando por los cientos de científicos que están involucrados en la búsqueda del bosón de Higgs utilizando el colisionador de hadrones, e incluso aquellos que ahora están investigando la gran cantidad de exoplanetas que existen en nuestra galaxia.

Debido a todos ellos, nuestra perspectiva del mundo ha cambiado. Cuando miramos el cielo de noche, comprendemos que cada estrella que vemos es, al menos, un planeta. El primer exoplaneta fue anunciado hace tan sólo dos décadas.

La naturaleza todavía puede sorprendernos.

“Existe una posibilidad que la materia oscura no sea necesariamente una partícula”, me dijo Clark, “Algunos teóricos dicen que no existe materia oscura. Es tan sólo que no entendemos cómo la gravedad trabaja a gran escala”, agregó. “Si este es el caso, hemos sido engañados al pensar que la materia oscura está ahí afuera”.

Clark y otros cazadores de materia oscura continúan su investigación. Si esta es real, “ni siquiera nosotros estamos hechos de lo qué está hecho la mayoría del universo”, me dijo Rosenberg. En el gran sistema de las cosas, no es la materia oscura lo que es tan exótico y extraños— somos nosotros.