Ensayo:
En búsqueda de la materia oscura
http://lat.wsj.com/articles/SB11527723634391014324404580478333239614578?tesla=y
Partículas
diminutas revelarían los secretos de la materia oscura del universo, pero
primero hay que encontrarlas.
Por Gautam Naik
domingo,
22 de marzo de 2015
11:23 EDT
Con máquinas
como esta, más de un kilómetro y medio debajo de la montaña Gran Sasso, en Italia, los científicos buscan uno de
los objetos más pequeños del universo: una WIMP.
Gran Sasso National Laboratory
A más de un
kilómetro y medio debajo del Gran Sasso, un macizo de la Cordillera de los
Apeninos en Italia, los científicos buscan uno de los objetos más pequeños del
universo y, a la vez, uno de los mayores premios de la física: las partículas
WIMP.
Se cree que
las partículas masivas que interactúan débilmente,
conocidas como WIMP por sus siglas en inglés, son el material del que
está hecho la materia oscura, una sustancia invisible que constituye alrededor
de una cuarta parte del universo, aunque jamás ha sido vista por los seres
humanos.
La gravedad
es la fuerza que mantiene a los objetos juntos y la gran mayoría de ella emana
de la materia oscura. A partir del big bang, este material misterioso ha sido
el principal arquitecto del universo, dándole su forma y estructura.
Sin la materia oscura, no habría
galaxias, estrellas, ni planetas.
Resolver su
misterio es crucial para comprender de qué está hecho el universo.
“Si no suponemos que
85% de la materia en el universo es este material desconocido, las leyes de la
relatividad y la gravedad tendrían que ser modificadas. Eso sería
significativo”,
afirma la física Giuliana Fiorillo, integrante
del equipo de 150 personas que busca las partículas en el Laboratorio Nacional
de Gran Sasso, a unos 130 kilómetros al este de Roma.
La búsqueda
de la materia oscura se ha intensificado a partir del
descubrimiento del bosón de Higgs hace dos años, que ayudó a estrechar
el campo en que las WIMP podrían estar ocultándose.
Hoy, más de
20 equipos de investigadores han salido a la caza de la elusiva sustancia,
empleando algunos de los experimentos
más complejos y delicados de la historia.
Se han
instalado detectores de materia oscura en el lecho marino a unos 2.500 metros por debajo de la
superficie. Otros operan en la profundidad de las minas. Hay uno en la
Estación Espacial Internacional.
El nuevo
experimento de materia oscura de China se encuentra 2.400 metros debajo de una montaña de mármol. Cuando reanude sus
operaciones este año, el Gran Colisionador de Hadrones
también buscará wimps al hacer chocar partículas subatómicas entre sí.
Los
científicos estiman que la materia visible constituye
apenas 4% del universo, mientras que la materia oscura es responsable del 23%.
El 73%
restante es un acertijo incluso mayor, una fuerza repulsiva conocida como
“energía oscura”.
La materia
oscura no emite ni absorbe luz. Sabemos que existe porque los científicos
pueden medir la inmensa fuerza gravitacional que ejerce sobre las estrellas,
las galaxias y otros cuerpos cósmicos.
El mejor
candidato que existe sobre lo que hay al interior de la materia oscura es la WIMP: un ser etéreo que apenas interactúa con
la materia regular. Miles de millones de
wimps transitan por la Tierra sin chocar con nada.
¿Entonces
cómo se atrapan estos elusivos fantasmas?
Los investigadores
esperan detectar una WIMP en el caso poco habitual de que una de estas partículas colisione contra el núcleo de un átomo,
dejando detrás una señal reveladora.
Sin embargo,
la abundancia de otras formas de
radiación puede fácilmente imitar la señal de una WIMP.
Es por eso
que las trampas de materia oscura a menudo son colocadas en minas o en las profundidades de las
montañas.
Tales
lugares sólo reciben una millonésima de la radiación
cósmica que regularmente golpea la superficie de la tierra. Al adentrarse en la tierra, los científicos
pueden eliminar gran parte del ruido de fondo que podría confundirse con una
auténtica señal de una WIMP.
Para llegar
al laboratorio de Gran Sasso se tiene que
atravesar un túnel de 10 kilómetros
debajo de la montaña. La entrada se parece al escondite de un villano de
las películas de James Bond con enormes puertas de acero, una estación de
vigilancia y ninguna señal de lo que hay al otro lado.
Tres enormes
cavernas son la base de varios experimentos de física. Uno de ellos, llamado Opera, anunció en 2011 el descubrimiento de partículas
más rápidas que la luz: una declaración impresionante que terminó siendo
vergonzosamente falsa.
Otro
experimento es Darkside-50, y está dedicado a
encontrar wimps utilizando un detector de argón.
El proyecto, que cuesta US$22,8 millones, es una
colaboración entre 17 instituciones estadounidenses, el
Instituto Italiano de Física Nuclear y otros organismos.
Darkside consiste en tres cámaras, colocadas
una dentro de otra, como un juego de muñecas rusas.
El caparazón
exterior es un tanque cilíndrico de tres
pisos lleno de agua.
Adentro hay
una esfera de acero del tamaño de una
habitación.
Al interior de la esfera hay un detector de
wimps, un termo de aproximadamente un metro de altura que contiene 50 kilos de argón líquido.
La idea
detrás de esta estructura es que cuando una WIMP choque
contra un átomo de argón, dejará un rayo de luz que será detectado por
filas de fotodetectores en el interior del termo.
Es allí,
justamente, donde radica el desafío: esos
detectores reciben todo tipo de señales todo el tiempo. Hasta ahora,
ninguna ha correspondido a una WIMP.
Las falsas
interpretaciones han tenido varias explicaciones. En algunas ocasiones, un
detector capta señales de alfa, gama
y otros tipos de radiación emitida por materiales en el laboratorio, incluyendo
el propio detector. Esos deben de ser estudiados y descartados.
Un conjunto
de intrusos particularmente preocupante son las partículas llamadas muones,
que ingresan a la montaña mediante rayos cósmicos.
Cuando un muón golpea un átomo en los
materiales que rodean al detector —la roca, por ejemplo—se produce un neutrón.
Cuando el neutrón colisiona con un átomo de argón, aparece una señal que es
virtualmente indistinguible de la señal creada por una WIMP.
El tanque de
agua proporciona una forma de detectar los muones. En tales casos, los
científicos revisan si una señal estilo WIMP observada en el detector de argón
coincide exactamente con el rastro de un muón que pasa por el tanque de agua.
De ser así, los investigadores saben que la señal vista en el detector de argón
fue causada por un neutrón generado por
muones, no por una WIMP que haría historia. “Durante un período de dos meses,
vimos alrededor de cuatro señales que parecían wimps”, recuerda Peter
Meyers, un físico de la Universidad de Princeton y miembro del equipo de
Darkside. “Todos resultaron ser
neutrones”.
Señales
prometedoras, falsas alarmas, rivales escépticos: todas estas son las
características que definen cualquier caza de la materia oscura.
A partir de
2008, los científicos en otro proyecto —conocido como DAMA— en el Laboratorio
Nacional de Gran Sasso han reportado datos que, en su opinión, ofrecen
evidencia sobre la existencia de la materia oscura en nuestra galaxia. No
obstante, puesto que ningún experimento ha sido capaz de confirmar sus
resultados a través de la detección directa, muchos físicos no están
convencidos.
Un equipo
encabezado por el premio Nobel Samuel Ting, un
físico en el Instituto de Tecnología de Massachusetts
(MIT por sus siglas en inglés), anunció en septiembre que podría haber
hallado un indicio de materia oscura al utilizar un detector de partículas
instalado en la Estación Espacial Internacional.
Sin embargo, no está nada de claro si esos resultados corresponden a colisiones
de materia oscura u otra fuente cósmica.
En un
estudio publicado en diciembre, otro equipo informó que podría haber detectado una señal de materia oscura en rayos X que emanan de
las galaxias, incluyendo nuestra Vía Láctea. El hallazgo, no obstante, debe ser
confirmado.
Y este mes,
científicos de la Universidad de Estocolmo y
otras entidades publicaron un estudio que provee evidencia de la presencia de
materia oscura en la parte más recóndita de la Vía Láctea.
En una
mañana reciente en su laboratorio subterráneo, un grupo de científicos de Darkside analizaron los datos más recientes del
experimento. Fiorillo se asomó por encima del hombro de un colega a medida que
un gráfico en la pantalla de una computadora detallaba el experimento que
estaban realizando. Cada segundo, la pantalla de la computadora registraba
varias señales que emanaban desde el interior del detector de argón: señales de
colisiones de partículas.
“Observa esa señal: es
inusual ya que muestra una partícula interactuando dos veces”, indicó Fiorillo. Su interés, sin
embargo, no duró mucho. “Una WIMP no haría eso”, resaltó.
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