La aparición de la materia oscura
A veces parece que es la propia materia oscura la que se está vengando de los científicos por la falta de atención con la que se cumplió su descubrimiento hace más de 80 años. Luego, en 1933, el astrónomo estadounidense de origen suizo Fritz Zwicky, al observar seiscientas galaxias en el cúmulo de Coma ubicado a 300 millones de años luz de la Vía Láctea, descubrió que la masa de este cúmulo, determinada en base a la velocidad de movimiento de las galaxias, es 50 veces mayor que la masa. calculado estimando la luminosidad de las estrellas.
Sin tener la menor idea de qué es esta diferencia de masa, le dio la definición ahora oficial: materia oscura.
Durante mucho tiempo, muy poca gente se interesó por la materia oscura. Los astrónomos creían que el problema de la masa oculta se resolvería por sí solo cuando fuera posible recopilar información más completa sobre el gas cósmico y las estrellas muy débiles. La situación comenzó a cambiar solo después de que los astrónomos estadounidenses Vera Rubin y Kent Ford publicaron los resultados de las mediciones de las velocidades de las estrellas y las nubes de gas en la gran galaxia espiral M31, la nebulosa de Andrómeda en 1970. Contra todas las expectativas, resultó que lejos de su centro, estas velocidades son aproximadamente constantes, lo que contradecía la mecánica newtoniana y recibió una explicación solo bajo el supuesto de que la galaxia está rodeada por una gran cantidad de masa invisible.
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Cuando te encuentras con un fenómeno del que no se sabe nada, entonces se le pueden atribuir una gran cantidad de explicaciones, y solo queda ir ordenando una a una, dejando de lado las inútiles e inventando otras nuevas en el camino. Además, no es un hecho que entre todas estas explicaciones sea correcta. El comportamiento inadecuado de las estrellas periféricas podría explicarse moviéndose en dos direcciones: corrigiendo ligeramente las leyes de Newton o reconociendo que hay materia en el mundo que es diferente al nuestro, que no vemos, porque las partículas de las que está compuesta no participan en la interacción electromagnética, entonces no emiten luz y no la absorben, interactuando con nuestro mundo solo a través de la gravedad.
Newton estaba equivocado?
La primera dirección, es decir, la corrección contra Newtoniana, se desarrolló con bastante lentitud. Es cierto que en 1983 el teórico israelí Mordejai Milgrom creó la así llamada mecánica newtoniana modificada, en la que pequeñas aceleraciones reaccionan a una fuerza que actúa de manera algo diferente a la forma en que nos enseñaron en la escuela. Esta teoría encontró muchos seguidores y pronto se desarrolló hasta tal punto que desapareció la necesidad de materia oscura. Es de destacar que la propia Vera Rubin, una pionera de renombre mundial en la investigación de la materia oscura, siempre se ha inclinado hacia la modificación de las leyes de Newton; parece que simplemente no le gustaba la idea de una sustancia que es abundante, pero que nadie vio nunca.
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El cobarde esquivo
Hay muchos candidatos para partículas de materia oscura, y para la mayoría de ellos hay un nombre generalizado y casi sin sentido "WIMPs": esta es la abreviatura en inglés WIMPs, derivada del término "Partículas masivas de interacción débil" o "partículas masivas de interacción débil". En otras palabras, estas son partículas que participan solo en interacciones gravitacionales y débiles; su efecto se extiende a dimensiones mucho más pequeñas que las dimensiones del núcleo atómico. Es en la búsqueda de estos WIMP como la explicación más sugerente a la que se dirigen hoy los principales esfuerzos de los científicos.
Los detectores WIMP, especialmente aquellos que los capturan para xenón, son similares en principio a las trampas de neutrinos. En un momento incluso se creyó que el neutrino es el WIMP muy esquivo. Pero la masa de esta partícula resultó ser demasiado pequeña: se sabe que el 84,5% de toda la materia del Universo es materia oscura y, según las estimaciones, no habrá tantos neutrinos en esta masa.
El principio es simple. Tomemos, digamos, el xenón como el más pesado de los gases nobles, enfriado a temperaturas de nitrógeno, y preferiblemente más bajas, protegido de cualquier "invitado" innecesario como los rayos cósmicos, muchas fotocélulas están instaladas alrededor del recipiente de xenón, y todo este sistema, ubicado a gran profundidad, procede a esperar. Porque hay que esperar mucho tiempo, según los cálculos, la longitud de una trampa con xenón, que podrá capturar un WIMP que la atraviese con una probabilidad del 50%, debería ser de 200 años luz.
Aquí, captura significa el vuelo del debilucho cerca del átomo de xenón y el vuelo a una distancia tal a la que la interacción débil ya está funcionando, o un impacto directo en el núcleo. En el primer caso, el electrón externo del átomo de xenón será eliminado de su órbita, lo que quedará registrado por el cambio de carga, en el segundo, saltará a otro nivel y regresará inmediatamente a “casa” con la posterior emisión de un fotón, que luego será registrado por fotomultiplicadores.
¿Sensación o error?
Sin embargo, "simple" no es la palabra correcta cuando se aplica a los detectores WIMP. No es muy fácil y muy caro. Uno de estos detectores con el sencillo nombre de Xenon se instaló en el laboratorio subterráneo italiano de Gran Sasso. Hasta la fecha, se ha modificado dos veces y ahora lleva el nombre Xenon1T. Se limpia a fondo de las impurezas que pueden dar lugar a señales similares a las señales de la materia oscura. Por ejemplo, de uno de los contaminantes típicos: el isótopo radiactivo kriptón-85. Su contenido en xenón comercial es solo de unas pocas partes por millón, pero cuando se buscan WIMP es una completa inmundicia. Por lo tanto, a partir de la segunda modificación de la instalación, Xenon100, los físicos purifican adicionalmente el xenón, reduciendo la concentración del contaminante a cientos de partes por billón.
Detector XENON100
Foto: Wikimedia Commons
Y al encender el detector, ellos, por supuesto, dijeron que el preciado "casi". Durante la primera sesión de observación de 100 días, los científicos registraron hasta tres impulsos, muy similares a las señales de los WIMP voladores. No se creían a sí mismos, aunque probablemente realmente quisieran creer, pero era 2011, ya marcado por un fuerte pinchazo: los físicos descubrieron que los neutrinos que les llegan del CERN en el transcurso de otro experimento vuelan a una velocidad superior a la de la luz. Los científicos, habiendo comprobado, al parecer, todo lo que solo se puede verificar, se dirigieron a la comunidad científica con una solicitud para ver qué estaba mal. Los colegas buscaron y no pudieron encontrar errores, diciendo, sin embargo, que esto no podía ser, porque nunca podría ser. Y así sucedió: el pinchazo resultó ser solo un conector con un mal contacto, que era difícil de notar.
Y ahora, bajo el peso de semejante fiasco, los científicos volvieron a enfrentarse a una elección. Si se trata de WIMPS, entonces este es un premio Nobel garantizado e inmediato. ¿Y si no? La segunda vez no quisieron ser deshonrados y empezaron a comprobar y volver a comprobar. Como resultado, resultó que dos de las tres señales bien podrían ser señales parásitas de átomos contaminantes de fondo, que no se eliminaron por completo. Y la señal restante no entró en ninguna estadística, por lo que lo mejor sería olvidarse de ella y no recordar más.
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El detector vio "nada"
Otro "casi" sonó cuando representantes de la colaboración que trabajaban en el detector de materia oscura más sensible LUX (Large Underground Xenon), que se encuentra en una mina de oro abandonada en Dakota del Sur, anunciaron que habían cambiado la calibración del detector. Después de eso, tuvieron la esperanza, casi certera, de que el tan esperado "casi" finalmente se haría realidad. El detector LUX, que desde el primer día de su existencia fue mucho más sensible que el italiano, es dos veces más sensible a los WIMP graves y 20 veces más sensible a los pulmones.
Detector LUX
Foto: Gran detector de xenón subterráneo
Durante la primera sesión de observación de 300 días, que comenzó en el verano de 2012 y terminó en abril de 2013, LUX no vio nada, incluso donde podría haber visto algo al menos por cortesía. Como dijo Daniel McKinsey, miembro de la colaboración LUX en la Universidad de Yale, "No vimos nada, pero vimos este 'nada' mejor que nadie antes que nosotros".
Como resultado de este "nada", varias versiones prometedoras se descartaron por completo a la vez, especialmente en relación con los WIMP "ligeros". Lo que no se sumó a la colaboración de simpatizantes de entre aquellos cuyas versiones fueron rechazadas por LUX. Los colegas los atacaron con un montón de reproches por su incapacidad para configurar el experimento correctamente; la reacción es bastante estándar y esperada.
Los físicos no saben absolutamente nada sobre la masa de WIMP, si es que existen. Ahora la búsqueda se lleva a cabo en el rango de masa de 1 a 100 GeV (la masa del protón es de aproximadamente 1 GeV). Muchos científicos sueñan con WIMP con una masa de cien protones, ya que las partículas con tal masa son predichas por la teoría supersimétrica, que de hecho aún no se ha convertido en una teoría, pero es solo un modelo muy hermoso, pero especulativo y del que muchos predicen el destino del sucesor del Modelo Estándar. Esto sería un verdadero regalo para los partidarios de la supersimetría, especialmente ahora, cuando el experimento del Gran Colisionador de Hadrones aún no ha registrado ninguna de las partículas que predijo.
La segunda sesión de observación sobre el detector LUX, que finalizará el próximo año, debería, gracias a las calibraciones ya mencionadas al principio, incrementar seriamente la sensibilidad del detector y ayudar a atrapar a los débiles de varias masas (anteriormente LUX estaba sintonizado a la sensibilidad más alta de aproximadamente 34 GeV), detectando sus señales donde fueron previamente ignorados. Es decir, el año que viene nos espera otro “casi” muy decisivo.
Si esto "casi" no sucede, también está bien: el próximo detector LZ, que es mucho más sensible, ya se está preparando para reemplazar a LUX. Se espera que se lance varios años después. Al mismo tiempo, la colaboración DARWIN prepara un "monstruo" con una capacidad de 25 toneladas de xenón, frente al cual LUX con sus 370 kg de gas parece "ciego" e inútil para nada. Entonces, parece que los wimpam, si existen, simplemente no tendrán dónde esconderse, y tarde o temprano se harán sentir. Los físicos no les dan más de diez años para esto.
¿Cobarde o débil?
Si los débiles continúan persistiendo en su elusividad, entonces todavía hay un axión, que también debe ser perseguido. Los axiones son partículas hipotéticas introducidas en 1977 por los físicos estadounidenses Roberto Peccei y Helen Quinn para librar a la cromodinámica cuántica de algunas rupturas de simetría. Estos son, de hecho, también Wimps, que pertenecen a la subcategoría de mechones más ligeros (partículas delgadas de interacción débil), pero tienen una peculiaridad: en un campo magnético fuerte, deben inducir fotones, por lo que pueden ser fácilmente detectados.
Hoy en día pocas personas se interesan por los axiones, y ni siquiera porque la gente no crea demasiado en ellos, y no porque su registro esté asociado a algunas dificultades especiales, es solo que su búsqueda está asociada a gastos demasiado grandes. Para que el axión comience a convertir fotones virtuales en reales, se necesitan campos magnéticos muy fuertes; curiosamente, ya existen imanes con los campos requeridos. El mercado ofrece 18 imanes Tesla y hay 32 imanes Tesla experimentales, pero son máquinas muy caras y no fáciles de conseguir. Además, aquellos de quienes depende la financiación de dicha investigación no creen realmente en la realidad de la existencia de axiones. Quizás algún día la necesidad de buscar axiones hará que estas dificultades financieras sean superables, y en ese momento los imanes pueden ser más baratos.
A pesar de la búsqueda aparentemente interminable e infructuosa de WIMP, las cosas realmente van bien. Para empezar, debe encontrar la versión más simple y obvia: los débiles. Cuando se encuentren, y se conozca su masa, los físicos tendrán que pensar en qué son estos WIMP: ¿son realmente neutralinos pesados, un conjunto cuántico de supercompañeros del fotón, el bosón Z y el bosón de Higgs, como la mayoría de los físicos asumen ahora, o algo? algo más. Si los WIMP no se encuentran en todo el rango de masas posibles, será necesario considerar opciones alternativas, por ejemplo, buscar WIMP de otras formas. Por ejemplo, si este es el famoso fermión de Majorana, que en sí mismo es una antipartícula, entonces, al encontrarse, tales fermiones deberían aniquilarse, convirtiéndose en radiación y dejando un recuerdo sobre sí mismos en forma de un exceso de fotones.
Si no hay forma de detectar WIMP, lo que en realidad parece poco probable, entonces será posible observar más de cerca las opciones con la mecánica newtoniana modificada. También será posible comprobar (aún no está claro cómo) una versión completamente fantástica asociada a las siete dimensiones adicionales predichas por la teoría de cuerdas, que se nos ocultan, ya que están acurrucadas en bolas del tamaño de Planck. Según algunos de los modelos de tal multidimensionalidad, la fuerza gravitacional penetra en cada una de estas dimensiones y, por lo tanto, es muy débil en nuestro mundo tridimensional. Sin embargo, esto plantea la posibilidad de que la materia oscura esté oculta en estas dimensiones acurrucadas y se manifieste solo gracias a la gravedad omnipresente. También hay explicaciones exóticas para la materia oscura asociada con defectos topológicos de campos cuánticos,que surgió durante el Big Bang, también hay una hipótesis que explica la materia oscura por la fractalidad del espacio-tiempo, y no hay duda de que, si es necesario, los físicos teóricos encontrarán algo más no menos original. Lo más importante es agregar la única explicación correcta a esta lista.
