Materia Oscura

'La ciencia progresa mejor cuando las observaciones nos obligan a alterar nuestras preconcepciones'

Vera Rubin

La astrónoma estadounidense Vera Cooper Rubin (Wikipedia Commons)

El término preconcepciones se suele utilizar para delimitar al conjunto de ideas que se toman como punto de partida para intentar comprender nuevos conceptos. Muchas veces la realidad se muestra de manera compleja y cuando intentamos describirla, pueden presentarse resultados que no concuerden con nuestras ideas previas. El campo de la astrofísica no queda exento de esta cuestión.

La idea de que puede existir materia no observable, debido a la falta de instrumentos o datos adecuados no es nueva. Por ejemplo, cuando se utilizaron las leyes de la física, aliadas a nuevos métodos de cálculo y observaciones precisas para entender el sistema solar, surgió una discrepancia entre los datos y las predicciones teóricas sobre el movimiento de Urano, que culminó con el descubrimiento de Neptuno. Asimismo, a partir de la precesión anómala de la órbita de Mercurio se propuso la existencia del planeta "Vulcano". Sin embargo, la explicación más adecuada resultó ser que la teoría de la gravedad newtoniana debía reemplazarse por otra: la teoría de la Relatividad General.

La materia oscura surge de manera similar. En la primer mitad del siglo pasado, la comunidad científica desarrolló instrumentos y técnicas de observación (como la espectroscopia), que posibilitaron el estudio de la dinámica de objetos fuera de nuestra galaxia. Las dinámicas observadas resultaron incompatibles con las predichas, haciendo necesario agregar una gran cantidad de materia no visible a los objetos astrofísicos observados para poder volver a un acuerdo.

La búsqueda continuó: datos de satélites observando el Universo en el rango de los rayos-x, mostraron que en los cúmulos de galaxias había una gran cantidad de gas caliente y difuso que no emite luz visible. La cantidad de masa en ese gas, esencialmente hidrógeno y helio, es mayor que la suma de las masas de todas las estrellas de todas las galaxias del cúmulo. En otras palabras: la mayor parte de la materia en los cúmulos no emite luz visible. ¿Problema resuelto? ¡no!: aún teniendo en cuenta este gas, se requiere de una gran cantidad de materia no detectada para explicar su propia temperatura y el movimiento de las galaxias en los cúmulos. La materia visible en galaxias junto con el gas, representa solamente el 20% de la materia total en los cúmulos. El restante tendría que ser, nuevamente, materia oscura.

Cúmulo de galaxias Abell 1698. Las imágenes en forma de arco son galaxias distantes distorsionadas por el efecto de lente gravitacional (NASA)

Actualmente, usando la deflexión de la trayectoria de la luz por el campo gravitatorio predicho por la teoría de la Relatividad - llamado efecto de lente gravitacional- , es posible hacer un censo de la distribución total de materia en todas las escalas de distancias cosmológicas, desde las galaxias hasta las mayores estructuras en el Universo. Los resultados están en acuerdo con lo que se observa en la dinámica de los cúmulos. Es decir, que solo un 20% de la materia total es visible.

En general los varios métodos para estimar masas, en todas las escalas, incluso en nuestra propia galaxia, llegan siempre a la misma conclusión: existe más materia que la que se puede detectar en todas las longitudes de onda, visibles o no (desde el rango de las ondas de radio hasta los rayos gamma). Podemos preguntarnos si todo este exceso podría estar compuesto de materia ordinaria, aún no detectada. Para resolver esta pregunta, buscaremos en la historia del Universo mismo.

Una clave en la historia del universo

El modelo cosmológico teórico estándar es capaz de explicar un conjunto amplio de observaciones astronómicas actuales y nos permite estudiar cómo fue la evolución del Universo a lo largo del tiempo. Por ejemplo, el modelo nos dice que en su época primordial el Universo estaba compuesto por una sopa de partículas elementales (quarks, electrones, neutrinos, fotones, etc.) en interacción constante. Las temperaturas altísimas no permitían que las partículas se agruparan en núcleos atómicos (mucho menos en átomos), estos solo se formarían con la expansión y el consecuente enfriamiento continuo del Universo. La comparación de las predicciones teóricas con las observaciones de la cantidad relativa entre el hidrógeno, el helio y otros núcleos livianos (los primeros elementos químicos que se formaron) nos indica cuál era la cantidad total de materia en el Universo primordial. Sorprendentemente, el resultado es que cualquier cosa compuesta por protones y neutrones, como lo es la materia ordinaria, solo puede ser responsable de aproximadamente el 20% de la materia del Universo. Conclusión: la materia oscura no solamente no emite luz, sino que ella no puede haber participado de las reacciones nucleares que generan los elementos químicos en el Universo primordial (técnicamente se dice que la materia oscura no puede ser bariónica). En resumen, la materia oscura no puede ser materia común.

En la medida que el Universo se enfrió, después de la síntesis de los elementos livianos, aparecieron los primeros átomos neutros. La luz empezó a propagarse en todas las direcciones posibles y el Universo dejó de ser opaco. Esa 'primera luz', se denomina radiación cósmica de fondo. En la actualidad es posible mapear con enorme precisión esta radiación, la cual nos brinda una especie de fotografía detallada de cómo era el Universo cuatrocientos mil años después de la formación de los primeros núcleos atómicos. Los detalles de cómo se distribuye esa radiación nos permiten entender cuál era la composición y cómo evolucionó la aglomeración de materia del Universo, desde las épocas primordiales hasta la actualidad, entre otras informaciones cruciales para la cosmología. Nuevamente los resultados apuntan inequívocamente a la existencia de un tipo de materia que no puede interactuar con la luz o con otras partículas a través de la fuerza electromagnética.

Sobre la naturaleza de la materia oscura

La existencia de materia oscura resulta, hoy en día, consistente con todas las observaciones y experimentos, siendo esta un elemento fundamental para nuestra comprensión del Universo. Sin embargo, el conocimiento actual de la naturaleza de la materia oscura (es decir, sus propiedades físicas, como la masa y sus interacciones) es muy pobre. Lo que podemos afirmar es que los datos astrofísicos nos llevan a pensar en la necesidad de una nueva física de partículas para incluir la materia oscura. O quizás la existencia de agujeros negros primordiales, o hasta una modificación de la teoría de la gravedad. Sobre estas últimas dos propuestas: los agujeros negros primordiales no son muy favorecidos por los datos observacionales y se han intentado muchas modificaciones a la teoría de la gravedad, sin éxito hasta ahora.

La solución más aceptada entre quienes estudian esta problemática es postular la existencia de una nueva partícula, o un conjunto de partículas y de nuevas interacciones, que se conoce como "sector oscuro". Una ventaja de esa hipótesis sería la oportunidad de estudiarla en experimentos de física de partículas, por las posibles (y seguramente débiles) interacciones del sector oscuro con las partículas de materia común, ya detectables en nuestros laboratorios. Eso ha motivado el desarrollo de una miríada de modelos teóricos de partículas y decenas de experimentos para la detección de la materia oscura, especialmente durante este siglo.

En principio las predicciones de cada modelo propuesto deben ser confrontadas con todos los datos disponibles, correspondientes tanto a observaciones astrofísicas y cosmológicas, como también con los experimentos en la Tierra, para los cuales los modelos hacen predicciones calculables que pueden ser testeadas observacionalmente o experimentalmente. A pesar del gran esfuerzo teórico y experimental que se ha hecho para intentar identificar cualquier interacción directa entre el sector oscuro y la materia ordinaria, solamente se ha podido detectar la interacción gravitatoria a gran escala de dichos componentes. Esencialmente, lo que se sabe sobre la materia oscura hasta ahora es su densidad a nivel cosmológico, que si posee interacciones (más allá de la gravedad) con la materia conocida estas deben ser muy débiles y que se mueve de forma relativamente lenta.

Cientificos ensamblando la camara de proyección temporal XENON1T (Foto: ©Enrico Sacchetti, XENON-Collaboration)

Las candidatas líderes para la materia oscura eran partículas conocidas como WIMP (de Weakly Interacting Massive Particle, o Partícula Masiva de Interacción Débil). Tendrían masas comparables o mayores a la de un protón y podrían interactuar con la materia ordinaria a través de la llamada fuerza nuclear débil. Los WIMPs parecen tener problemas en pequeñas escalas cosmológicas, por ejemplo prediciendo una abundancia mayor de estructuras en pequeñas escalas de lo observado y, por ahora, no han podido ser detectados en los experimentos diseñados para tal fin. Sin embargo, una tecnología prometedora para su detección es la de cámaras criogénicas llenas de toneladas de Xenón líquido rodeado por sensores de luz. Este principio de detección se basa en la idea de que, si hay partículas de materia oscura y estas interactúan con materia ordinaria, lo tienen que hacer muy débilmente. Eso significa que la probabilidad de interacción con un elemento del detector es muy baja y, por lo tanto, se requieren toneladas de material para tener al menos unas pocas partículas colisionando con núcleos de Xenón líquido. De la colisión de estas partículas con núcleos de Xenón líquido resultaría la emisión de radiación que sería detectada por los sensores de luz.

Cabe agregar que en estos experimentos cualquier radiación (luz/fotones, electrones, neutrones, muones, etc.) no generada por la interacción con la materia oscura podría enmascarar la detección de la materia oscura propiamente dicha. Por un lado existe la radioactividad natural del entorno donde se encuentra el detector y de los mismos elementos que lo componen. Por otro lado existe radiación proveniente del espacio y de la atmósfera. Constantemente somos bombardeados por muones de altas energías y otras partículas, que al interactuar en el detector, producirían resultados no correspondientes a materia oscura. Para evitar esta radiación cósmica, es necesario que los detectores estén protegidos por miles de metros de roca, sea en túneles debajo de montañas o en minas profundas. El experimento XENON, por ejemplo, está situado bajo la montaña Gran Sasso en los Apeninos.

En un escenario alternativo a los WIMPs, conocido como materia oscura ultraliviana, la masa de las partículas puede ser tan pequeña como un milmillonésimo de la masa del protón, o aún más pequeña, hasta una quintillonésima parte de la masa del protón. Cuanto más livianas, mayor tiene que ser su cantidad para que se obtenga la densidad conocida de materia oscura. En este caso su abundancia es tal que se requiere una descripción en términos de campo o condensado en lugar de un conjunto de partículas. Una propiedad característica de estos modelos es que la materia oscura puede manifestar una presión que, por ejemplo, suprimiría la formación de estructuras a escalas pequeñas. Actualmente, existen distintos modelos candidatos de materia oscura ultraliviana, cuyas huellas características se buscan tanto en observaciones astronómicas y cosmológicas, como en experimentos de laboratorio.

Imagen de una CCD usada por el experimento de neutrinos CONNIE (fuente: arXiv:1604.01343)

Para candidatos de masa intermedia entre la propuesta de materia ultraliviana y los WIMPs, existe otra técnica de detección prometedora: el uso de dispositivos acoplados en carga (CCDs). Los CCDs son utilizados ampliamente en la adquisición de imágenes astronómicas, y son muy similares a los sensores que utilizan los teléfonos celulares para adquirir imágenes fotográficas. En ese caso, una partícula de materia oscura al chocar con un núcleo o un electrón del silicio que compone los CCDs le entrega parte de su energía. En consecuencia, el retroceso del núcleo (o del electrón) hace liberar cargas eléctricas que son medidas en los píxeles del sensor. Si bien, por ahora, un detector de toneladas con CCD sería extremadamente caro y difícil de construir, la ventaja de los CCD es su extremado bajo ruido electrónico de lectura, lo que permite observar fácilmente interacciones débiles que no son posibles de observar con otro tipo de detector. Tal es el caso que recientemente se ha logrado desarrollar un CCD con un ruido lo suficientemente bajo que permite contar el número exacto de electrones colectados en cada pixel.

Desde lo macroscópico a lo microscópico, podemos notar que los modelos de materia oscura abarcan un amplio rango de masas y de otras propiedades. Las técnicas para buscar detectarlas en experimentos varían según esas propiedades. En paralelo con estas búsquedas directas de materia oscura, se investigan evidencias de la producción de alguna partícula del sector oscuro en aceleradores como el LHC. Y también señales de la aniquilación o del decaimiento de la materia oscura en fotones o otras partículas en objetos astronómicos observados con satélites, además de los observables astrofísicos y cosmológicos ya mencionados.

Actualmente vivimos una situación tan paradójica como estimulante. Por un lado la materia oscura es requerida para nuestra interpretación de los datos astronómicos en casi todas las escalas fuera del sistema solar, habiendo una gran diversidad de modelos y de experimentos buscando detectar ese componente del Universo. Por otro lado, no hay ninguna señal certera de la materia oscura fuera de su acción gravitacional. ¿Estaremos cerca de finalmente detectar ese componente misterioso? ¿O quizás habrá que repensar de forma más profunda algunos conceptos de la física? Sea cual sea la respuesta, se están realizando aportes importantes desde la Argentina, tanto en los aspectos teóricos como experimentales, a la espera de la construcción del laboratorio subterráneo ANDES, en lo profundo de la cordillera, donde se intentará continuar con la búsqueda que se inició en nuestro país con un experimento de materia oscura en la Mina Sierra Grande, hace 25 años.

Autores

Xavier Bertou

Doctor en Astrofísica, Universidad Paris VII
Investigador independiente CNEA/CONICET en el Centro Atómico Bariloche

Xavier coordina la iniciativa ANDES y trabaja en dos experimentos con CCD, DAMIC-M y DM2.

Yanina Biondi

Licenciada en Ciencias Físicas, Universidad de Buenos Aires
PhD en Astroparticulas en la Universidad de Zurich

Yanina hace su doctorado en el experimento de Xenón liquido Xenon1T.

María Belén Lovino

Profesora en Física, Universidad Nacional de Rosario.
Maestría en Ciencia, Tecnología e Innovación de la Universidad Nacional de Río Negro

María Belén hace su maestría enfocada en la comunicación de la física de astropartículas en ANDES y el experimento con CCD DM2.

Martín Makler

Doctor en Ciencias Físicas, Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas
Investigador titular en el Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas
Investigador independiente ICAS/UNSAM/CONICET

Martín desarrolla proyectos teóricos y observacionales en cosmología y astrofísica, con foco en lentes gravitacionales y materia oscura.

Diana López Nacir

Doctora de la Universidad de Buenos Aires (UBA), área Ciencias Físicas, FCEyN.
Investigadora adjunta, CONICET
Profesora Adjunta, UBA

Diana desarrolla modelos de materia oscura ultraliviana.

Miguel Sofo Haro

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo.
Investigador de CNEA en el Centro Atómico Bariloche

Miguel trabaja en los experimentos con CCD SENSEI y DM2.