Nota del editor: El siguiente ensayo se reimprime con permiso de The Conversation, una publicación online que cubre las últimas investigaciones científicas.

Solo alrededor del 5% del universo está compuesto de materia ordinaria, como protones y electrones. El resto se completa con unas sustancias misteriosas conocidas como materia oscura y energía oscura. Hasta ahora, a pesar de invertir décadas buscándolas, los científicos no han logrado detectar estos materiales tan esquivos. Sin embargo dos nuevos estudios podrían cambiar las cosas, pues han estrechado la búsqueda de manera significativa. 

La materia oscura fue propuesta inicialmente hace más de 70 años para explicar por qué la fuerza de la gravedad en los cúmulos de galaxias es mucho más fuerte de lo esperado. Si los grupos contuvieran solo las estrellas y el gas que observamos, su gravedad debería ser mucho más débil. Eso llevó a los científicos a suponer que allí existe algún tipo de materia escondida que no podemos ver. Dicha materia oscura proporcionaría masa adicional a estas grandes estructuras, aumentando su fuerza gravitacional. El principal candidato es un tipo de partícula hipotética conocida como "partículas masivas de interacción débil” (WIMP).

Para investigar la naturaleza de la materia oscura, los físicos buscan evidencias de sus interacciones más allá de la gravedad. Si la hipótesis de los WIMP es correcta, las partículas de materia oscura podrían ser detectadas a través de su dispersión de núcleos atómicos o electrones en la Tierra. En estos experimentos de detección "directa", una colisión WIMP provocaría que estas partículas cargadas retrocedieran, generando una luz que podríamos observar.

Uno de los principales experimentos de detección directa en funcionamiento hoy en día es XENON100, que acaba de anunciar sus últimos resultados. El detector se encuentra bajo tierra para reducir la interferencia de los rayos cósmicos, en el laboratorio de Gran Sasso en Italia. Se compone de un recipiente con 165kg de xenón líquido, altamente purificado para minimizar la contaminación. El material detector está rodeado por hileras de tubos fotomultiplicadores (PMTs) para capturar la luz de potenciales interacciones con los WIMP.

El nuevo informe del XENON100 no ha encontrado pruebas de WIMPs dispersando electrones. Aunque se trata de un resultado negativo, implica descartar muchos modelos llamados “leptofílicos” que predicen frecuentes interacciones entre la materia oscura y los electrones.

Pero la consecuencia más importante del análisis del XENON100 hace referencia a la controvertida afirmación de la detección de materia oscura por los investigadores del experimento DAMA/LIBRA en Italia, que está en conflicto con los resultados de muchos otros detectores como el Cryogenic Dark Matter Search. La materia oscura leptofílica fue propuesta como una explicación plausible de esta discrepancia, ya que no aplicarían directamente las restricciones de otros experimentos. Sin embargo, los nuevos resultados de XENON100 descartan firmemente esta posibilidad.

Persiguiendo camaleones 
Mientras tanto, la energía oscura explica nuestra observación de que el universo se está expandiendo a un ritmo acelerado. A diferencia de la materia normal, la energía oscura ejerce una presión negativa, que permite que la gravedad sea repulsiva, separando las galaxias en lugar de acercarlas. Uno de los candidatos más prometedores a la energía oscura es el llamado "campo camaleón".

En muchos modelos de energía oscura podríamos esperar ver efectos significativos tanto en el laboratorio como en escalas cosmológicas. Sin embargo, la característica más atractiva del “campo camaleón” es que su impacto depende del entorno. A pequeña escala, como en la Tierra, la densidad de la materia es alta y el campo fácilmente despreciable, permitiendo que los camaleones escapen a nuestros detectores. Sin embargo, en el vacío del espacio la densidad de la materia es muy pequeña, y el campo puede impulsar la aceleración cósmica.

Cámara de vacío del interferómetro atómico. Foto de  Holger Muller  

Hasta ahora los experimentos sólo han utilizado detectores relativamente grandes, sin lograr observar camaleones ya que la densidad de materia es demasiado alta. Sin embargo, recientemente se propuso que un "interferómetro atómico", que opera en escalas microscópicas, se podría utilizar para buscar camaleones. Este consiste en una cámara de ultra-vacío que contiene átomos individuales y simula las condiciones de baja densidad del espacio vacío, por lo que el cribado se reduce.

En el segundo informe, los investigadores implementaron esta idea por primera vez. Su experimento funciona dejando caer átomos de cesio encima de una esfera de aluminio. Utilizando láseres sensibles, los investigadores pudieron medir las fuerzas en los átomos cuando estaban en caída libre. Los resultados mostraron perfectamente que sólo experimentaban el efecto de la gravedad, y ninguna fuerza inducida por camaleón. Esto implica que si los camaleones existen, deben interactuar más débilmente de lo que antes se pensaba. Esto estrecha la búsqueda de estas partículas hasta mil veces en comparación con estudios anteriores. El equipo espera que su innovadora técnica les ayude a cazar camaleones u otras partículas de energía oscura en un experimento futuro.

Ambos estudios demuestran cómo los experimentos de laboratorio pueden responder preguntas fundamentales sobre la naturaleza del cosmos. Pero lo más importante, elevan la esperanza de que algún día localicemos a estas esquivas sustancias que componen la friolera del 95% de nuestro universo.

 

Ryan Wilkinson recibe financiación del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.  Lea el artículo original.

 

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