Buscan materia oscura en la Tierra, bajo tierra y en el espacio. Sus misteriosas partículas son invisibles para los instrumentos científicos y no se manifiestan en ninguna parte. Sin embargo, se ha recopilado una sólida "base de pruebas" a favor de su existencia. ¿Tienen los científicos alguna posibilidad de descubrir la materia oscura?
Un componente clave del universo
Las partículas de materia oscura nacieron poco después del Big Bang, cuando el universo era un plasma al rojo vivo. A medida que se enfriaron, formaron grupos que eventualmente proporcionaron el surgimiento de estrellas y galaxias. Si el plasma contuviera solo partículas ordinarias que componen los átomos, entonces la radiación los repelería entre sí, sin permitirles formar ninguna estructura. Los objetos ligados por gravedad aparecieron lo suficientemente rápido, lo que significa que algo los estaba ayudando. Alguna sustancia masiva los retuvo. Ahora no interactúa con la materia ordinaria de ninguna manera, no irradia, por lo tanto, no lo observamos por ningún método.
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Así es como los científicos reconstruyen la evolución del Universo, que estaría incompleta sin la participación de la materia oscura. El astrónomo suizo Fritz Zwicky llegó a esta conclusión en la década de 1930. Al estudiar los cúmulos de galaxias, se preguntó por qué no se estaban dispersando. Después de todo, la masa de las galaxias visibles no es suficiente para contener el cúmulo. Por tanto, debe haber una masa oculta. Posteriormente, esta hipótesis encontró numerosas confirmaciones sobre las anomalías en las tasas de rotación de las galaxias: las partes de los discos alejadas del centro apenas se ralentizan, como lo harían si estuvieran formadas únicamente por estrellas.
La lente gravitacional permite detectar indirectamente la presencia de masa oculta. Este efecto es creado por dos galaxias masivas ubicadas una detrás de la otra. La luz de una galaxia distante es desviada por el campo gravitacional de una cercana y, como en una lente, aparece su imagen. Esto proporciona una idea de la materia oscura en las galaxias que forman un enorme halo invisible a su alrededor. Utilizando varios modelos, los científicos calculan la distribución de densidad de la materia oscura en el halo y, sobre esta base, hacen conjeturas sobre la estructura.
A la izquierda - halo de materia oscura en la galaxia NGC 4555.
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Composición de materia oscura
Los físicos se inclinan a creer que la materia oscura está formada por partículas desconocidas para nosotros.
“Los métodos astrofísicos de observación no dicen nada sobre sus propiedades. Es posible que no interactúen de ninguna manera, excepto por el método gravitacional. Quizás ni los experimentos directos en la Tierra ni las observaciones en el espacio conduzcan a nada. Esto siempre debe tenerse en cuenta”, dice Dmitry Gorbunov, miembro correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia, investigador jefe del Instituto de Investigación Nuclear de la Academia de Ciencias de Rusia para RIA Novosti.
Los candidatos para el papel de las partículas oscuras incluyen axiones ultraligeros, partículas de interacción débil (WIMP) y un neutrino estéril que ayuda a explicar la masa y oscilación de los neutrinos solares.
“El neutrino estéril más ligero bien puede ser una partícula de materia oscura. No es estable, pero vive mucho tiempo. En la Galaxia, estas partículas deberían descomponerse en neutrinos y un fotón. Están girando lentamente (10-3 veces la velocidad de la luz), por lo que se espera un pico en el rango de rayos X en el espectro de fotones”, dice el científico.
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Según él, se debería poner en órbita un buen espectrómetro para intentar registrar tales eventos.
Hace dos años, Gorbunov y sus colegas modelaron una hipótesis sobre un componente inestable de la materia oscura para explicar la discrepancia en los resultados del experimento del Telescopio Espacial de Planck, que midió el CMB. Quizás esto fue un error, o quizás una indicación de alguna propiedad de la materia oscura. Los científicos han sugerido que la sustancia oscura tiene una composición heterogénea y parte de ella no ha sobrevivido hasta el día de hoy.
En busca de partículas oscuras
Cómo capturar partículas de materia oscura es una de las cuestiones clave de la física. Muchos teóricos y experimentadores están tratando de responderla. La forma de observación depende del modelo, en el que se colocan todas las propiedades de la partícula hipotética. Si asumimos que la materia oscura estaba en equilibrio en el plasma del Universo primitivo, y también había partículas ordinarias, significa que de alguna manera interactúa con ellas. De todos los tipos de interacciones conocidas, excepto la gravitacional, la más adecuada es la débil, que se produce durante la desintegración beta de un núcleo atómico.
“Bajo esta suposición, después de que el plasma primario se enfría, permanece la cantidad requerida de materia oscura”, explica Dmitry Gorbunov.
En base a esto, las partículas oscuras se pueden destruir con la formación de un electrón y un positrón. Están buscando rastros de estas aniquilaciones, pero en cualquier caso se trata de una prueba circunstancial. Además, los resultados son bastante difusos, las partículas se desvían, vuelan alrededor de la Galaxia, se aniquilan, pierden energía, y lo que llega a la Tierra es difícil de distinguir en el contexto de los rayos cósmicos.
Intentan observar partículas oscuras directamente en detectores subterráneos que registran neutrinos. Debajo del suelo, el fondo de las partículas atmosféricas disminuye, la sustancia del detector se enfría y es necesario esperar a que una partícula de materia oscura la golpee. Estos eventos son raros en sí mismos, porque si una partícula interactúa, es débil. El impacto provoca la excitación del átomo y una explosión de energía, que es registrada por el detector.
Al mismo tiempo, es imposible aumentar infinitamente el volumen de la sustancia detectora para aumentar la probabilidad del paso de partículas oscuras sin pérdida de sensibilidad. Además, los neutrinos interfieren con la señal. Para cortarlo, es posible que deba construir un detector completamente nuevo para ir por debajo de esta señal.
“Es necesario utilizar la detección de la dirección de impacto de la partícula. Esto suprimirá significativamente el fondo, porque los neutrinos vuelan en la dirección del Sol y la materia oscura atacará en otras direcciones”, especifica el científico.
La tercera dirección es la creación de una partícula de materia oscura como resultado de la colisión de partículas ordinarias en el LHC y otros aceleradores. Para el observador, parecerá, por ejemplo, un fotón volando hacia un lado. Según la ley de conservación del momento, una partícula también debería volar en la otra dirección, pero no la hay. Entonces ella es invisible.
Hasta ahora, ninguna de las formas de atrapar partículas de materia oscura ha tenido éxito. Ni siquiera está claro cuál de ellos es el más prometedor.
Composición del Universo / Ilustración de RIA Novosti.
Tatiana Pichugina
