Día Internacional de la Materia Oscura

En Argentina, desde la coordinación del Laboratorio Subterráneo ANDES, en conjunto con el Laboratorio Detección de Radiación y Partículas del Centro Atómico Bariloche y el Instituto Internacional de Estudios Avanzados (ICAS, ICIFI, UNSAM); en Brasil, desde el Instituto de Física de la Universidad Federal de Río de Janeiro y el Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) tenemos el agrado de invitarles a las celebraciones por el Día Internacional de la Materia Oscura (31 de Octubre 2022).

Este evento, de carácter internacional, convoca a distintas instituciones involucradas en el área de la Astrofísica y la Física de Partículas para la realización de actividades comunes con la finalidad de visibilizar la investigación científica en la temática "Materia Oscura", así como también el aspecto humano de esta búsqueda de conocimiento.

En años anteriores nos imaginamos a las partículas de materia oscura, las máquinas que pueden detectarlas y a las personas que las utilizan en sus investigaciones. Esta vez quisimos saber cómo se imaginan nuestro trabajo diario en nuestros centros de investigación. Para dicha tarea les propusimos que lean y seleccionen el relato que más les guste de tres ejemplos, para contarnos mediante un dibujo colectivo lo que imaginan…

Tres aventuras muy diferentes a la búsqueda de la materia oscura

Una cámara sacando fotos a la oscuridad

Muy cerca de la cordillera de los Andes, entre montañas y lagos, se encuentra un sensor que busca "ver" la materia oscura. Este sensor es parte de un experimento que consiste en tomar fotografías "a la nada", dentro de una caja oscura cerrada a muy baja temperatura con la cámara más sensible conocida hasta el momento: el sensor "skipper CCD". Así, obtenemos "fotos" vacías, totalmente negras, salvo que a veces….

Vemos algunos dibujos en las "fotos": unas líneas rectas; unos "gusanitos" o unos puntos gorditos, indicios de que alguna partícula elemental ha atravesado la cámara. Pero, ¿y la materia oscura? ¿También dejará alguna marca en nuestro sensor? No sabemos, pero creemos que podría dejar puntitos chiquititos. Estudiar esos puntitos es parte de la tarea para determinar la eventual presencia de materia oscura.

Como se imaginarán, este experimento no funciona solo. Se necesita de un equipo completo para desarrollarlo, ponerlo a prueba e interpretar sus resultados. Científicas y científicos de Bariloche, Córdoba, Buenos Aires, Río de Janeiro y hasta Estados Unidos trabajan en equipo. ¡Es un experimento internacional!

Pero esto no termina aquí, sino que este equipo científico tiene un plan: una vez que se pueda entender muy bien el funcionamiento del sensor en los laboratorios de Bariloche el mismo se instalará dentro de una mina muy profunda (o en un túnel a 1750 metros bajo tierra!) donde nada pueda llegar a él. Excepto las misteriosas partículas de materia oscura.

Producir materia oscura en el LHC

Trillones de protones cruzan la frontera entre Suiza y Francia viajando por el interior del acelerador de partículas LHC del laboratorio europeo de física de partículas, el CERN. Organizados en paquetes y mantenidos en una trayectoria circular de 27 km de circunferencia, los protones son acelerados a velocidades cercanas a la de la luz. Todo esto tiene lugar a 100 metros de profundidad, donde los haces de protones que están en direcciones opuestas chocan en cuatro puntos de la circunferencia. En estos puntos se instalaron y diseñaron experimentos para detectar y medir las propiedades de las partículas subatómicas producidas en estas colisiones. Podemos decir que los detectores toman imágenes de las colisiones recogiendo las señales electrónicas de la radiación producida en cada una de ellas. Esta gran instalación científica sólo es posible porque los investigadores de varios países están unidos en torno a objetivos comunes.

Parte del equipo brasileño trabaja en uno de los cuatro grandes experimentos del LHC, el LHCb. Una de nuestras responsabilidades es desarrollar y mantener en funcionamiento la fase del experimento que llamamos análisis en tiempo real. En el experimento LHCb se producen en promedio treinta millones de colisiones por segundo, pero sólo una pequeña fracción de las imágenes que tomamos puede guardarse de forma permanente. Por lo tanto, se requiere un análisis en tiempo real, que se lleva a cabo mediante tecnologías informáticas de alto rendimiento, incluyendo programas compatibles con procesadores multinúcleo y tarjetas gráficas.

Hay varios objetivos científicos y uno de ellos es comprender la naturaleza de la materia oscura. Hasta ahora, no hemos observado ningún fenómeno relacionado con la existencia de la materia oscura en el LHC. Por otro lado, varias teorías predicen que, en las colisiones del LHC, podemos medir propiedades de la materia oscura. Nuestro trabajo es asegurarnos de que los sucesos predichos por estas teorías no sean descartados en el análisis en tiempo real, por ejemplo, hemos desarrollado algoritmos para seleccionar dos fotones que pueden ser el producto de la desintegración de una partícula llamada Axion y que pueden darnos información sobre la naturaleza de la materia oscura. Es sorprendente cómo a partir de uno de los constituyentes más ordinarios de la materia, el núcleo del átomo de hidrógeno, se crea quizás algo, hasta ahora, extraordinario como la materia oscura.

Mirar al cielo para entender la materia oscura

Si la materia oscura no emite luz, ¿cómo vamos a estudiarla con telescopios? Bueno, ¡así es como se la descubrió! De hecho, no vemos la materia oscura, pero podemos percibir su efecto en el movimiento de las estrellas. Imaginemos una galaxia espiral, del tipo que parece un remolino de estrellas. Parece que están girando y así es. Podemos utilizar el movimiento de rotación de las estrellas en las galaxias para medir la masa de estos objetos. Al igual que el Sol atrae a los planetas, la propia masa de la galaxia atrae a sus estrellas. Conociendo la velocidad de los planetas, podemos saber la masa del Sol. Podemos hacer lo mismo estudiando el movimiento de las estrellas en las galaxias.

La astrónoma Vera Rubin, junto con otros investigadores, realizó este tipo de estudio en la década de 1970. Ellos se dieron cuenta de que se necesitaba mucha más materia para } explicar la rotación de estos objetos que toda la materia que podemos observar en forma de gas, estrellas, planetas, etc. Si las galaxias estuvieran hechas sólo de este tipo de materia conocida, su velocidad sería demasiado rápida para que la atracción gravitatoria las mantuviera en su sitio, y su contenido se dispersaría por todo el universo. Para explicar la rotación de las galaxias, debe haber mucha más materia que produzca la atracción gravitatoria de la que se observa. Esta materia adicional es la materia oscura.

Actualmente, percibimos la acción de la materia oscura por los movimientos que su atracción gravitatoria provoca en muchas regiones del espacio. Vemos estos efectos dentro de nuestra propia galaxia e incluso en las estructuras más grandes que hemos podido estudiar en el Universo. Pero eso no es todo. La materia también afecta al movimiento de la luz, que realiza una trayectoria curva a causa de la gravedad. La desviación de la luz debida a objetos masivos hace con que ellos se comporten como lentes que distorsionan los astros. Una galaxia lejana cuya luz pasa cerca de una galaxia cercana puede estar tan distorsionada a punto de tener la forma de un arco o un anillo. Este efecto se denomina lente gravitacional y permite pesar los objetos que distorsionan la trayectoria de la luz. La conclusión es la misma que cuando estudiamos los movimientos en el universo: hay mucha más materia de la que conocemos.

En resumen, por los efectos de la gravedad, sabemos que la materia oscura está presente. Pero, ¿cuáles son sus características? ¿Cómo se comporta? ¿De qué está hecha? Para responder a estas y otras preguntas se están realizando más estudios astronómicos. Uno de los mayores proyectos astronómicos del mundo lleva el nombre de una de los descubridoras de la materia oscura: el Observatorio Vera Rubin, una colaboración internacional liderada por Estados Unidos y en la que participan Argentina, Brasil, Chile y países de todo el mundo. Este enorme telescopio albergará la mayor cámara del mundo, para producir imágenes muy nítidas de grandes zonas del cielo durante diez años. ¿Qué podremos aprender sobre la materia oscura con este telescopio?