El misterio de la materia oscura

Parece inconcebible, pero la mayor parte de la materia que integra el universo, una gran masa que mantiene unidas las galaxias, resulta indetectable.

Universo
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Los científicos se percataron de algo muy intrigante hace ya medio siglo: no tenemos ni idea de qué está hecha la mayor parte del universo.

A partir de los movimientos de las galaxias y de los cúmulos galácticos podía deducirse que ahí arriba existía una gran masa que por alguna razón no podíamos ver. Desde entonces, los astrónomos han averiguado que, de hecho, es mucho más importante que la que existe en forma de gas, estrellas y planetas. Es más, parece funcionar como una especie de pegamento que mantiene unidas las estructuras en el universo observable. Se calcula que constituye alrededor del 85 % de la masa del cosmos, pero ni los telescopios ni los sensores repartidos por todo el mundo la han podido localizar. Con razón se la conoce como materia oscura.

“Pensábamos que sabíamos cómo es el universo y de qué está hecho –apunta el investigador Carlos Muñoz, del Instituto de Física Teórica de Madrid–. Pero hace décadas nos dimos cuenta de que no es así, porque descubrimos que la materia de la que estamos hechos no es la que forma la mayor parte del cosmos”.

Los estudios llevados a cabo hasta la fecha sugieren que esa masa oculta no forma átomos y apenas interacciona con la materia convencional, por lo que millones de partículas de la misma atraviesan nuestro cuerpo cada segundo sin que notemos nada. Como tampoco interacciona con la luz, resulta completamente invisible. Todas estas características implican que la materia oscura es muy difícil de detectar. También que no puede estar compuesta por alguna de las partículas elementales conocidas, pues ninguna se comporta de ese modo. Por eso, algunos expertos han puesto incluso en duda su existencia.

En un primer momento, la expresión materia oscura no se usaba para designar algún tipo de sustancia exótica, sino un conjunto de planetas, estrellas y nubes de polvo muy poco brillantes e imposibles de atisbar desde la Tierra. En 1933, el astrofísico suizo Fritz Zwicky (1898-1974) empleó este concepto para tratar de explicar por qué las mil galaxias que integran el cúmulo de Coma, a 320 millones de años luz de distancia, permanecen unidas a pesar de la gran velocidad a la que giran. Zwicky propuso que algún tipo de Dunkle Materie –materia oscura– debía constituir la mayor parte de la masa de las galaxias, pero su hipótesis no tuvo mucha aceptación y sus ideas cayeron en el olvido.

A finales de los años sesenta y principios de los setenta del siglo pasado, los astrónomos Kent Ford y Vera Rubin pudieron medir con precisión la velocidad de rotación del disco de Andrómeda, la galaxia más cercana a la Vía Láctea. Para su sorpresa, descubrieron que sus regiones externas se movían casi a la misma velocidad que las internas, cuando la ley de la gravitación de Newton predecía que debían girar más despacio a medida que aumentaba la distancia respecto al centro, tal como ocurre con los planetas de nuestro sistema que están más alejados del Sol.

Intrigados, Rubin y Ford repitieron estas observaciones en otras galaxias y encontraron lo mismo. Finalmente, concluyeron que estas se hallan rodeadas por un halo de masa invisible, varias veces más extenso que ellas mismas, lo que explicaría que se alcancen tales velocidades en esas zonas.

Otros dos fenómenos apoyaban la existencia de esa materia oscura: el llamado efecto de lente gravitacional –en esencia, este consiste en que una gran masa desvía la trayectoria de los haces de luz– y la radiación de fondo de microondas, un tipo de radiación electromagnética que inunda el cosmos y que constituye una reliquia de sus etapas tempranas.

Esta materia oscura no solo influye en la rotación de las galaxias. “Es un acelerador de estructuras cosmológicas –indica Ignacio Trujillo, del Instituto de Astrofísica de Canarias. Y añade–: Se trata de una masa extra que dicta el ritmo de crecimiento de las galaxias. Sin ella estas habrían tardado más en desarrollarse y no serían tan grandes”. Es decir, sin materia oscura, el universo no tendría el aspecto que hoy vemos.

Todos los planetas, las estrellas y las galaxias del cosmos apenas representan el 15 % de la materia que existe. Nadie conoce a ciencia cierta de qué está hecho el 85 % restante. Ahora bien, sabemos que está ahí por sus efectos gravitatorios.

Las simulaciones de la evolución del cosmos han llevado a barajar la existencia de tres tipos de dicha materia: la fría, la templada y la caliente. Cada una de ellas estaría integrada por unas partículas que viajarían a distinta velocidad durante la infancia del universo: en las más cálidas, aquella sería mayor; en las más frías, menor. De acuerdo con estas recreaciones, la materia oscura fría es la que resulta más verosímil, porque su presencia pudo permitir que se formaran las grandes estructuras cuando el cosmos era joven. Sin embargo, hay discrepancias y detalles que no encajan, tal como reconoce Trujillo. Eso y la naturaleza fantasmal de la materia oscura suponen un auténtico rompecabezas para los expertos. ¿De verdad está ahí? La mayoría de los astrónomos creen que sí, pero dudan sobre su auténtica naturaleza y llevan años tratando de averiguar de qué podría estar hecha.

En la actualidad, este enigma se ve como una puerta que nos permitiría ir más allá del modelo estándar de la física de partículas, el gran marco teórico que explica el comportamiento de la materia por medio de un puñado de partículas e interacciones. Ese ir más allá resulta extraordinariamente importante, porque, aunque este modelo parece funcionar muy bien, no puede explicar fenómenos muy relevantes, como son el origen de la gravedad y el desequilibrio que existe entre materia y antimateria en el universo.

“La materia oscura muestra que nos falta una pieza clave del puzle –apunta María Luisa Sarsa, catedrática en la Universidad de Zaragoza e investigadora principal de ANAIS, un experimento que busca esta peculiar sustancia en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, bajo la montaña de El Tobazo (Huesca), y advierte–: Puede que sea porque no hemos montado bien todas las demás”.

Para tratar de resolver este misterio se han construido laboratorios en las entrañas de minas abandonadas y se han instalado sensores en las profundidades de la Antártida. También se han lanzado telescopios al espacio y se han hecho chocar entre sí partículas a altísimas velocidades, pero, hasta ahora, nadie sabe con certeza qué es la esquiva materia oscura.

Intuimos la existencia de la materia oscura por los efectos que produce en los objetos cósmicos que sí podemos observar.

Sensores ópticos
Jamie Yang / ICECUBE

Los sensores ópticos del telescopio IceCube se encuentran bajo el hielo, a entre 1450 m y 2450 m de profundidad. En ese entorno, buscan el rastro de las señales que dejarían las interacciones entre partículas subatómicas.

 

Por el momento, la hipótesis más aceptada entre los expertos es que está hecha de WIMP –siglas de Weakly Interacting Massive Particles, esto es, partículas masivas débilmente interactivas–. Se trataría de corpúsculos miles de millones de veces más masivos que los neutrinos y se relacionarían con la materia normal por medio de la interacción nuclear débil, pero con una frecuencia muy baja. “Aunque existen otros candidatos, son el modelo por excelencia –explica Muñoz–. Las WIMP reproducen el comportamiento de la materia oscura tal como predicen las evidencias astrofísicas”.

De hecho, hace unas décadas los científicos se encontraron con lo que se denominó el milagro WIMP. La supersimetría, una extensión teórica del modelo estándar que postula que las partículas conocidas tienen compañeras más masivas que no hemos descubierto, permitió proponer la existencia de ciertos WIMP que parecían encajar casi mágicamente con lo esperado de las partículas de materia oscura. Muchos investigadores pensaron que, al menos, ya sabíamos dónde buscar la solución al problema. Pero las cosas no han resultado ser como parecían, y, tras años de indagaciones, aún no se ha hallado ni rastro de las partículas predichas. “Está claro que ese milagro WIMP no ha ocurrido. No ha sido posible encontrarlas”, reconoce Francis Halzen, director del observatorio IceCube. En esta instalación, situada muy cerca de la base estadounidense Amundsen-Scott, en el Polo Sur, se han colocado 5000 fotosensores en un kilómetro cúbico de hielo, enterrados a 2500 metros de profundidad.

Este experimento trata de dar con la materia oscura a través de lo que se conoce como detección indirecta. Aunque, como ya sabemos, aquella es invisible, se sospecha que las partículas que la integran pueden llegar a chocar entre sí y aniquilarse. Durante el proceso se producirían señales que sí sería posible llegar a captar.

A miles de kilómetros de allí, en el Mediterráneo, el telescopio ANTARES lleva a cabo observaciones complementarias mediante una red de sensores fijados al fondo marino, a 2,5 kilómetros bajo la superficie, frente a la costa de Tolón, en Francia. Otros dispositivos buscan igualmente el rastro de la materia oscura en sucesos más energéticos. Es el caso del telescopio espacial Fermi de la NASA, que escudriña las fluctuaciones de rayos gamma en el centro de nuestra galaxia. Algunos investigadores creen que un excedente de este tipo de radiación en esa zona podría corresponderse con la presencia de la materia oscura, pero el análisis de los datos recabados por Fermi no permite aclararlo. Quizá sea así, tal como muestra un reciente estudio impulsado por Rebecca K. Leane, una física del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), o tal vez solo se trate de la presencia de objetos hasta ahora desconocidos que emiten radiaciones muy intensas, como los púlsares, que es lo que piensa buena parte de la comunidad científica.

También se busca su rastro en los rayos cósmicos, una forma de radiación de alta energía procedente del espacio exterior que baña la Tierra continuamente y que analiza en detalle el espectrómetro magnético alfa (AMS-02), un ingenio instalado a bordo de la Estación Espacial Internacional. A partir de los datos obtenidos con este módulo experimental de física de partículas, varios equipos de investigadores han llegado a la conclusión de que parte de los antiprotones que integran los citados rayos cósmicos surgen como consecuencia de la aniquilación de las partículas de materia oscura. En 2022, cuando está previsto que entre en funcionamiento el observatorio de rayos gamma Cherenkov Telescope Array, que contará con más de cien telescopios repartidos en varios enclaves de Chile y la isla canaria de La Palma, quizá podamos contar con más información sobre esas posibles interacciones entre partículas de materia oscura. Como hemos visto, se han planteado distintas técnicas para tratar de dar con su eco, pero también existen experimentos que intentan detectarla directamente. En esencia, estos se basan en un supuesto como el que se detalla a continuación: a medida que nuestro planeta se desplaza en su órbita es atravesado por un número inimaginable de partículas de materia oscura que forman parte del halo de la Vía Láctea, una región que rodea nuestra galaxia. Como apenas interaccionan con la materia convencional, traspasan la Tierra sin dejar huella. Muy raramente chocarían con los núcleos de algunos átomos, a través de la interacción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Pero tales colisiones pueden llegar a suceder y ocasionar destellos o pequeñas descargas, algo que los científicos esperan poder captar justo cuando ocurren.

Para ello, se utilizan detectores ultrasensibles situados en grandes tanques de xenón o argón líquido ultraenfriados. Estos detectores se instalan a gran profundidad, a salvo de la radiación cósmica y otras señales externas que podrían alterar el funcionamiento de los aparatos.

Desde hace décadas se han llevado a cabo distintos ensayos, pero, de momento, con resultados negativos. Es el caso del PandaX, ubicado en el Laboratorio Subterráneo de Jinping (China), a 2400 metros de profundidad; el LUX, en una antigua mina de oro de Dakota del Sur –terminó en 2016 sin encontrar rastro de materia oscura–; y el proyecto XENON, que se desarrolla en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso (Italia). En mayo de 2018, los responsables de la iniciativa XENON1T –una fase del anterior–, que se cuenta entre las más ambiciosas puestas en marcha hasta la fecha, informaron de que no habían logrado detectar las citadas WIMP.

Pero hace tan solo unas semanas, en este mismo centro de investigación, se anunciaba un hallazgo que ha devuelto las esperanzas a los científicos que siguen la pista a la escurridiza materia oscura. Los detectores que rodean el tanque de 3500 litros de xenón líquido ultrapuro que constituye el corazón del experimento captaron una inusual cantidad de colisiones de partículas; muchas más de las esperadas. Entre las distintas explicaciones que se dan a este suceso, la más probable, según sus descubridores, es que se deba a la presencia de axiones producidos por el Sol, una partícula hipotética no prevista por el modelo estándar de la física. Aunque estas partículas no serían en sí mismas la materia oscura, su detección demostraría su existencia, y con ella, la de los axiones, que, en teoría, se habrían originado justo después del big bang y que, en opinión de algunos físicos, componen la materia oscura. Los investigadores reconocen que no pueden afirmar categóricamente que hayan dado con los mencionados axiones solares, pero esperan que la próxima fase del experimento, denominada XENONnT, que triplicará la cantidad de xenón y aumentará notablemente la capacidad del detector, arroje luz sobre este asunto.

Anillo de materia oscura
NASA / ESA / M.J. JEE / H.FORD

En la imagen, un anillo de materia oscura detectado por el Hubble en un cúmulo, a 5000 millones de años luz.

 

Pero ¿y si la materia oscura no pudiera encontrarse? Según va aumentando la sensibilidad de los instrumentos con el paso de los años, el umbral de detección se va reduciendo y la búsqueda de WIMP y otras partículas podría tener los días contados. Aunque situemos los detectores bajo tierra, los neutrinos atraviesan el planeta y generan un ruido conocido como fondo de neutrinos. “Tanto este como el que generan los materiales de los que están hechos los propios aparatos marcan el límite de sensibilidad –explica Mario Pérez, investigador del Instituto de Física de Altas Energías, en Barcelona–. Cuando lleguen a ese límite se acabó, será como una pared”. Entonces, será imposible discernir los neutrinos de las posibles partículas que integren la materia oscura.

Por el contrario, hay científicos que afirman que ya la hemos encontrado. En 1998, los responsables del experimento DAMA, que se desarrolla asimismo en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, aseguraron que, por fin, habían dado con ella.

Bajo unos 1400 metros de roca, los detectores que emplea DAMA, situados en unos cilindros de 12 kilos de cristal ultrapuro de yoduro de sodio, captan los minúsculos destellos que originan los núcleos atómicos a medida que reciben el impacto de las partículas cósmicas. Tales destellos varían estacionalmente: alcanzan un máximo el 2 de junio y un mínimo el 3 de diciembre. Según los responsables de esa iniciativa, esta modulación anual es consecuencia de los movimientos de la Tierra. Si la materia oscura es, como sospechan, una nube de partículas situada en el halo de la galaxia, los cristales podrían detectar una mayor o menor cantidad de señales en función de si el planeta se mueve más rápido o más despacio en relación con ella.

“En ningún otro experimento se ha observado algo parecido, por lo que es dudoso que se trate de una detección de materia oscura”, asegura Sarsa. Su objetivo es reproducir en Canfranc los resultados de DAMA, en paralelo con COSINE-100, otro ensayo, situado bajo la presa de YangYang, en Corea del Sur. “Si DAMA lo ha logrado, deberíamos encontrar lo mismo en otros laboratorios”.

El problema es que lo que sea con lo que se han topado los investigadores en el Gran Sasso contradice lo que muestran otros sistemas de detección directa. De momento, los resultados de ANAIS y COSINE-100, que llevan recogiendo datos desde 2017, no han sido concluyentes. Sin embargo, ambos proyectos continuarán tomando medidas varios años más, y se espera que otra colaboración, denominada SABRE, prepare otro instrumento similar en el Laboratorio Subterráneo de Stawell, en Australia. “Si confirmamos las observaciones de DAMA, habría que crear un nuevo candidato a materia oscura. Si no, tendremos que averiguar qué aparece allí año tras año”, explica Sarsa.

Estas dificultades han animado a otros expertos a buscar indicios de materia oscura mediante aceleradores de partículas, como el gran colisionador de hadrones o LHC, instalado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear, el célebre CERN, en Suiza. El LHC es un anillo de 27 kilómetros de largo en el que una cadena de electroimanes enfriados hasta -271,3 ºC curvan la trayectoria de un haz de protones previamente acelerado hasta una velocidad próxima a la de la luz. Estos imanes son muy potentes y precisos, y permiten que estas partículas choquen, lo que origina nuevas partículas y energía. A partir de ese momento, los investigadores del LHC, por medio de experimentos como CMS, ATLAS o ALICE, trabajan a modo de detectives: reconstruyen esas colisiones y eliminan el ruido y los efectos conocidos para encontrar algo que pueda indicar la presencia de una nueva partícula.

“Hasta ahora, los intentos de dar con algo que explique la materia oscura no han ido bien –indica Rebeca Suárez, investigadora de la Universidad de Uppsala, en Suecia, que trabaja en ATLAS–. Del mismo modo que nuestra materia está formada por partículas e interacciones, podría ser que la materia oscura lo estuviera por partículas e interacciones oscuras”, señala. Ambas realidades serían ajenas entre sí, pero ¿podría existir algo que las conectase?

El caso es que, tras diez años de trabajo, el LHC no ha dado con señales de WIMP ni de supersimetría. El milagro no ha ocurrido, pero no es motivo para finalizar la búsqueda. “Se tardó sesenta años en descubrir el bosón de Higgs”, recuerda Suárez. En su opinión, podría ser que la materia oscura no se haya encontrado sencillamente porque quizá no hemos dado con la masa adecuada, porque, en realidad, no interaccione de ningún modo o quizá porque sea algo totalmente diferente a lo que sospechamos.

“El problema de la materia oscura es tan complejo que no creo que llegue el día en que lo entendamos del todo, en parte porque es probable que existan decenas de partículas de materia oscura”, señala Trujillo. Para Muñoz, el problema podría ser irresoluble si solo interaccionase con la materia convencional a través de la gravedad. Aun así, los expertos coinciden en que el interés por este asunto se mantendrá durante los próximos años.

En 1998, el experimento DAMA, llevado a cabo en Italia, pareció detectar indicios de materia oscura, pero otros laboratorios no han podido comprobarlo