Se cree que la materia oscura constituye alrededor de cinco sextos de toda la materia del universo. Sin embargo, proyectos increíblemente sofisticados —desde el más poderoso desmenuzador de átomos jamás construido, hasta tanques de xenón líquido frío— han fracasado en encontrar un rastro de ella. Pero ahora algunos científicos esperan que los relojes atómicos, los cronómetros más precisos que existen, puedan ser usados para ayudar a explicar este fenómeno escurridizo.

Muchos físicos creen que la materia oscura es una sustancia invisible cuyos efectos gravitacionales previstos sobre la materia conocida ayudarían a explicar una variedad de misterios cósmicos, como por qué las galaxias pueden girar tan rápido como lo hacen sin separarse. No obstante, a pesar de su aparente importancia colosal para la propia estructura del universo, nadie sabe con certeza qué componentes podría tener o de dónde proviene. A mediados de diciembre un grupo de físicos en Polonia publicó un estudio en Nature Astronomy que sugiere que las fluctuaciones en el ritmo al que avanza un reloj atómico podrían ayudar a revelar cómo puede influir la materia oscura en la materia conocida.

En gran medida, los científicos han descartado todas las partículas conocidas como posibles explicaciones de la materia oscura. Esto sugiere que podría comprender una especie de partícula que no entra dentro del Modelo Estándar de la Física, que es actualmente nuestra mejor descripción concreta del universo subatómico. Otra posibilidad es que la materia oscura no esté hecha de partículas; más bien, que sea un área que impregna el espacio como lo hace la gravedad. Las investigaciones anteriores indican que las estructuras podrían surgir en ese campo de materia oscura— “defectos topológicos” con la forma de puntos, cuerdas u hojas. Estas estructuras podrían haberse formado durante el caos caliente después del big bang y se congelaron en formas estables cuando se enfrió el universo temprano.

Si la Tierra pasa a través de un defecto topológico como ese —que los investigadores dicen que, en un inicio, alcanzaría al menos el tamaño de un planeta— podría provocar cambios detectables mediante algunos de los instrumentos científicos más precisos que se han construido: los relojes atómicos. Estas máquinas marcan el tiempo mediante el monitoreo de los movimientos de los átomos, al igual que los relojes de antaño dependen de péndulos oscilantes. Los relojes atómicos modernos son tan precisos que no perderían más de un segundo cada 15.000 millones de años, más de los 13.800 millones de años que se cree que tiene el universo.

Pasar por un defecto topológico podría hacer que los átomos de un reloj atómico oscilen temporalmente más rápido o más lento, según un trabajo previo de los físicos teóricos Andrei Derevianko, de la Universidad de Nevada (Reno), y Maxim Pospelov, del Instituto Perimeter para la Física Teórica en Ontario. Según Derevianko y Pospelov, al observar una red de relojes atómicos sincronizados ubicados lo suficientemente separados como para que un defecto topológico afecte a unos pero no a otros, los científicos podrían detectar la existencia de un defecto topológico y medir algunas de sus propiedades.

Pero en el informe de Nature Astronomy, el físico Piotr Wcisło, de la Universidad Nicolás Copérnico de Polonia, y sus colegas sugieren que un solo reloj atómico podría ser lo suficientemente sensible como para arrojar luz sobre la naturaleza de la materia oscura. Los investigadores analizaron cómo los defectos topológicos podrían influir en un reloj atómico óptico, que emplea rayos láser visibles para medir las danzas de los átomos cuando se enlentecen al enfriarlos a temperaturas cercanas al cero absoluto. El modelo de los investigadores demuestra que pasar por un defecto en el campo de materia oscura propuesto podría aumentar o disminuir la intensidad total de la fuerza electromagnética, lo que a su vez alteraría la manera en que los átomos responderían a la iluminación.

Derevianko y Pospelov habían demostrado que al menos dos relojes atómicos serían necesarios para detectar los efectos de un defecto topológico. Según este modelo, “si queremos ver que un reloj está marcando más rápido o más lento necesitamos tener algún otro reloj que sirva de referencia”, dice Wcisło. Pero en cambio, este experto y sus colegas sugieren que podría funcionar si se observan dos elementos en un único reloj atómico óptico: sus átomos vibrantes superenfriados y la cámara en la que el láser identifica la frecuencia a la que vibran esos átomos. Pasar a través de un defecto topológico podría causar cambios medibles en las frecuencias tanto de los átomos vibrantes como del láser dentro de la cámara.

Wcisło y sus colegas probaron su idea con experimentos usando relojes atómicos ópticos. Respecto a trabajos anteriores, sus hallazgos refinaron en más de mil veces los límites previos para la fuerza de cualquier interacción entre los átomos y los defectos topológicos. Si los relojes atómicos ópticos detectaran cualquier signo de defectos topológicos “podría dar respuestas a algunas de las preguntas fundamentales de la física moderna, como la naturaleza de la materia oscura, la relación entre el Modelo Estándar y la gravedad o si las constantes fundamentales son realmente constantes”, dice Wcisło.

Aunque estos hallazgos sugieren que un solo reloj podría ayudar a detectar defectos topológicos, Derevianko opina que las redes de relojes atómicos aún  pueden arrojar luz sobre otros aspectos de esta probable explicación de la materia oscura, como los posibles tamaños de estos defectos hipotéticos. Derevianko calcula que a medida que el sistema solar gira en torno al centro de la Vía Láctea a unos 300 kilómetros por segundo, pasar por un defecto topológico del tamaño de la Tierra podría influir en una red intercontinental de relojes atómicos durante unos 30 segundos.

Ya existen varias redes de relojes atómicos, incluyendo las de rubidio y cesio que hay a bordo de los satélites del Sistema de Posicionamiento Global (GPS). “Estamos dañando una década de datos de archivo de un reloj GPS para buscar señales de materia oscura”, dice Derevianko. “Esencialmente, estamos usando el GPS como el detector de materia oscura más grande que existe”.

Sin embargo, estos relojes satelitales están rezagados con respecto a los relojes atómicos ópticos de laboratorio de última generación. Wcisło observa que los hallazgos de su equipo muestran que los mejores relojes atómicos pueden unirse para formar un gigantesco observatorio de materia oscura sin necesidad de contar con conexiones de fibra óptica de miles de kilómetros de longitud, como se pensaba anteriormente. “Nuestro enfoque hace posible la idea de construir una red global de detectores de ese tipo sin nuevos desarrollos de aparatos experimentales”, añade.