¿Podemos crear materia oscura en un laboratorio?

La materia oscura parece quintuplicar a la materia ordinaria en el universo. Parece poblar nuestra galaxia y los cúmulos de galaxias que hemos observado. Pero aunque tengamos muy claro que está ahí, no sabemos de qué está hecha exactamente. Hemos intentado detectar la que podría haber en la Tierra, pero ¿podríamos crear materia oscura en un laboratorio?

 

La materia oscura no es nada místico. Su nombre es además increíblemente descriptivo: sabemos que es materia, en el sentido de que tiene propiedades similares a las que podría tener la materia que compone un trozo de tela, el fuselaje de un cohete o una estrella de neutrones. También sabemos que es oscura, porque no absorbe, refleja o emite luz. Así de simple. Lo que nos falta simplemente es saber qué es exactamente. Pruebas de su existencia no nos faltan.

Aunque la hipótesis de que podía existir materia oscura tenga más de un siglo de antigüedad, las pruebas de esto llegaron más recientemente. Ya desde finales de los 60, Vera Rubin observó cómo rotaban varias galaxias, estudiando la velocidad de rotación de las estrellas que componían la galaxia en función de su distancia al centro galáctico. Lo que esperaba obtener es que las estrellas fueran disminuyendo su velocidad cuando aumentaba esta distancia, de la misma manera que Neptuno orbita más lento que Mercurio. Sin embargo no observó eso, sino que obtuvo una velocidad que se mantenía más o menos constante. Esto significaba que la estrellas del exterior de la galaxia saldrían despedidas por su alta velocidad, a menos que hubiera gran cantidad de masa en la galaxia que no pudiéramos observar.

De la misma forma, la velocidad de las estrellas en un cúmulo estelar o de galaxias en un cúmulo de galaxias se vio que era demasiado alta para los cúmulos estudiados, sugiriendo otra vez la presencia de más masa de la que era visible. Además, la masa de estos cúmulos de galaxias podía medirse también con otros métodos, como las lentes gravitatorias, corroborando lo que ya sabíamos.

También el fondo cósmico de microondas, la estructura a gran escala del universo o las observaciones de supernovas de tipo Ia, o de objetos concretos como el Cúmulo de la Bala apuntan en esa dirección: existen grandes cantidades de algo con masa (y por tanto con efectos gravitatorios) pero que no interacciona con la luz y por tanto somos incapaces de ver directamente. A eso es a lo que llamamos materia oscura.

El objetivo por tanto es averiguar de qué está hecha exactamente. Una posibilidad es que se trate (al menos en parte) de objetos masivos pero demasiado oscuros para ser detectados, como agujeros negros, enanas marrones, enanas blancas antiguas y débiles, estrellas de neutrones. Sin embargo las búsquedas directas de estos objetos han mostrado que su cantidad debe ser mucho menor que la necesaria para explicar la materia oscura y además no cuadrarían con lo que sabemos de la nucleosíntesis tras el Big Bang (la formación de los diferentes átomos). Por esto mismo creemos que la mayor parte de la materia oscura debe presentarse en forma de partículas subatómicas desconocidas y que no sienten la interacción electromagnética.

Estas partículas podrían tomar muchas formas diferentes. WIMPs, axiones, neutrinos estériles, partículas supersimétricas, etc. Todas ellas hemos intentado detectarlas directa e indirectamente, sin mucho éxito. La búsqueda directa consiste en observar cómo una partícula sale despedida tras chocar con una partícula de materia oscura. Para ello es necesario eliminar el ruido de fondo hasta niveles extremos, para asegurarnos de que si observamos algo sea por la presencia de materia oscura y nada más.

La búsqueda indirecta consiste en observar los productos de la interacción de la materia oscura con la materia ordinaria o consigo misma. Es decir, estas partículas podrían tal vez emitir partículas conocidas cuando interactúen entre sí o podrían aniquilarse en algo que sí entendamos.

Otra opción por supuesto sería la que se plantea en el título de este artículo: crear la materia oscura en nuestros laboratorios. Estos laboratorios no estarían llenos de probetas y matraces, sino de cables, electroimanes y enormes detectores: serían aceleradores de partículas. El lugar donde resultaría más probable detectar estas partículas en la actualidad sería en el Gran Colisionador de Hadrones (el LHC, por sus siglas en inglés), pues es el acelerador donde mayor energía alcanzan las partículas. Sin embargo, lo más probable es que incluso en un acelerador tan potente como este, solo podamos observar la materia oscura de manera indirecta, pues al interaccionar tan débilmente con el resto de la materia, lo más probable es que nuestros detectores no puedan registrarla.

Por tanto lo que detectaríamos es que una cierta cantidad de energía ha “desaparecido” en algún punto. Esto es así porque sabemos la energía que tienen las partículas originales, las que han colisionado y esta energía debería conservarse tras la colisión, sin importar qué cantidades o tipos de partículas se formen a partir de ella. Si se detectaran partículas, pero estas no acumularan la energía suficiente, significaría que además se ha creado algo cuyos detectores no han sido capaces de percibir.

Actualmente no se ha buscado materia oscura en el LHC, porque este colisionador no se diseñó con ese propósito y se han centrado los esfuerzos en otras búsquedas. Sin embargo sí se han acotado algunos parámetros de la materia oscura utilizando datos del acelerador LEP, que en vez de colisionar hadrones colisiona leptones (electrones concretamente). Cualquier detección que estos o futuros colisionadores pudieran hacer deberían contrastarse por supuesto con experimentos de detección directa o indirecta para corroborar que las partículas detectadas son materia oscura y no cualquier otra cosa.

Referencias:

Bertone, G. et al, 2005, Particle dark matter: Evidence, candidates and constraints, Physics Reports. 405, doi:10.1016/j.physrep.2004.08.031

Peter, A.H.G., 2012, Dark matter: A brief review, https://doi.org/10.48550/arXiv.1201.3942

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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