La física ha faltado –nuevamente– a una anticipada cita concertada con su futuro. Las más recientes y más sensibles investigaciones para encontrar las partículas que se cree que componen la materia oscura –la materia invisible que puede comprender el 85 por ciento de la masa en el cosmos– no han encontrado nada. Conocidas como las WIMP por sus siglas en inglés (partículas masivas de interacción débil), puede que simplemente estas tímidas partículas subatómicas  sepan jugar al escondite mucho mejor de lo que los físicos pensaban cuando las  predijeron por primera vez hace más de 30 años. Por otro lado, puede que no existan, lo que significaría que, lamentablemente, hay algo que está equivocado en la forma en la que tratamos de entender el universo. Muchos científicos todavía tienen esperanza de que las versiones mejoradas de los experimentos que buscan las WIMP las encuentren, pero otros están reconsiderando las teorías de la materia oscura que hace tiempo se consideran improbables.

Sea lo que sea la materia oscura, no es parte del Modelo Estándar de la física de partículas, una "teoría de casi todo" que ha sido ampliamente probada y que fue fraguada en la década de 1970 para explicar todas las partículas conocidas y todas las fuerzas, aparte de la gravedad. Si encontráramos la identidad de la materia oscura podríamos iluminar un nuevo camino hacia adelante que nos llevaría a una comprensión más profunda del universo, al menos, eso es lo que esperan los físicos

Es posible que las WIMP consigan su peso gravitatorio por el hecho de tener entre una y mil veces la masa de un protón. Su única conexión a nuestro mundo familiar sería a través de la fuerza nuclear débil, la cual es más fuerte que la gravedad, pero solo está presente a pequeñas distancias en la escala de los núcleos atómicos. Si existen, las WIMP deben rodearnos como una niebla invisible, las posibilidades de que interactúen con la materia ordinaria son tan remotas que una podría pasar a través de años luz de plomo elemental y salir intacta.

Sin desanimarse, los experimentadores han pasado décadas elaborando y operando detectores de WIMP cuyos nombres son tan elaborados que no sería suficiente con una sopa de letras para poder deletrearlas (CDex, CDMS, Cogent, COUPP y CRESST son solo algunos de los ejemplos más notables que empiezan con la letra C). El delicado esfuerzo para detectar alguna de las interacciones débiles, raras y fugaces de las WIMP con átomos necesita de aislamiento y solitud, y por tanto la mayoría de los detectores están confinados a cavernas, minas abandonadas y otros raros espacios subterráneos.

Uno de los últimos resultados nulos en la búsqueda de las WIMP viene del Large Underground Xenon Experiment (LUX), un tercio de tonelada de xenón líquido que se mantiene a -100 grados Celsius dentro de un gigante tanque lleno de agua , enterrado a un kilómetro y medio bajo las montañas Black Hills de Dakota del Sur. Allí, protegido de la mayoría de las fuentes de contaminación de ruido, los investigadores han pasado más de un año buscando destellos de luz provenientes del choque entre las WIMP y los núcleos de xenón. El 21 de julio anunciaron que no habían visto ninguno.

La siguiente decepción ocurrió el 5 de agosto desde el más poderoso acelerador de partículas jamás construido: el Large Hadron Collider (LHC), en el CERN, cerca de Ginebra, Suiza. En 2012 después de que encontraran el bosón de Higgs –la partícula que impregna a otras con masa y cuya existencia fue descrita por el Modelo Estándar hace tiempo– muchos teóricos creían que el siguiente éxito del LHC sería el descubrimiento de cómo el Higgs (u otras partículas hipotéticas parecidas) ayudan a producir las WIMP que se cree que impregnan el cosmos. Desde la primavera de 2015, el LHC ha estado estudiando estas ideas colisionando protones a altas energías y a tasas de hasta mil millones por segundo, llevando la física de partículas a una nueva era. Al principio, dos equipos independientes habían detectado una anomalía entre los restos subatómicos, un exceso de energía proveniente de las colisiones de protones que sugería que había nueva física que quizás era generada por las WIMP (o, para ser justos, por muchas otras alternativas diferentes). Sin embargo, a medida que el LHC hacía colisionar más protones y recogía más datos, la anomalía desapareció, indicando que había sido solo una casualidad estadística.

Estos dos resultados nulos son un arma de doble filo para la materia oscura. Por un lado, ponen límites a las masas plausibles y las interacciones que las WIMP pudieran tener, lo que ha alimentado planes para desarrollar detectores de última generación que podrían ofrecer mejores posibilidades de éxito. Por otro lado, han sido descartados algunos de los sencillos y más queridos modelos para las WIMP, aumentando los temores de que estas partículas nos pueden haber llevado a un rodeo de varías décadas en la búsqueda de la materia oscura.

Edward “Rocky” Kolb, un cosmólogo que en la década de 1970 ayudó a sentar las bases para las búsquedas de las WIMP que vendrían después, y que trabaja en la universidad de Chicago, declaró la década de 2010 como “la década de los WIMP”, pero ahora admite que la búsqueda no ha sido como él esperaba. “Ahora estamos más en la oscuridad sobre la materia oscura de lo que estábamos hace cinco años”, dice. Hasta ahora, dice Kolb, la mayoría de los teóricos han dejado que “florezcan un millar de WIMP”, creando teorías cada vez más barrocas y exóticas para explicar cómo las WIMP han logrado esquivar todos nuestros detectores.

Hay, por supuesto, otra posibilidad, que las WIMP no sean la solución a la materia oscura que deberíamos estar buscando. “Las WIMP surgieron como una explicación simple, elegante y convincente para un fenómeno complejo”, dice Kolb. “Y por cada fenómeno complejo hay una explicación simple, elegante, y convincente que está equivocada”.

 

EN BUSCA DE UN MILAGRO

Entre los cazadores de WIMP, sin embargo, la explicación es que no han buscado con la suficiente tenacidad, dice el portavoz de LUX Richard Gaitskell. Debido a la incertidumbre en cuanto a la masa exacta y la capacidad de interacción de estas esquivas partículas, el espacio en el que se está buscando las WIMP se extiende a lo largo de ocho órdenes de magnitud. Si las WIMP tuvieran mucha masa, solo podría  haber una o dos dentro del espacio de un puño cerrado en un momento dado; si fueran muy ligeras, miles de millones podrían pasar a través nuestro cada segundo. Crear un detector que logre abarcar esa gama tan vasta sería como diseñar una red para atrapar a ciertas especies de peces que pueden ser del tamaño de un glóbulo rojo o de una ciudad, o algo en el medio.

Gaitskell y otros buscadores de WIMP están apostando a que los detectores más grandes darán mejores resultados y tienen planes para una nueva generación de experimentos que tendrían un espectacular incremento en cuanto a sus tamaños y sensibilidad. “Empecé a buscar hace 28 años utilizando un detector de 10 gramos”, dice Gaitskell. “Hoy en día estamos utilizando un detector de xenón líquido que pesa un tercio de una tonelada. Y en los próximos 10 o 15 años vamos a buscar con detectores que serán de 100 toneladas”.

En ausencia de evidencia empírica real que pruebe la existencia de las WIMP, el único y muy convincente argumento teórico de que deben existir ha continuado alimentando una inversión constante por años para encontrarlas. Los físicos lo llaman “el milagro WIMP”. Este milagro se sostiene en dos patas especulativas.

La primera pata se estira hacia los primeros instantes de tiempo cósmico. Una extrapolación simple del Modelo Estándar hasta esa época primordial sugiere que las WIMP deberían haber sido producidas en enormes cantidades en el plasma denso y caliente que llenó el universo inmediatamente después del big bang. La mayoría de las WIMP podrían haber colisionado unas con otras a velocidades relativistas, anihilándose mutuamente y produciendo partículas ordinarias como resultado. Este proceso podría haberse debilitado a medida que el universo se expandía y se enfriaba, dejando una población “reliquia” de WIMP frías y lentas atrás. Súmele a eso el impulso de la que se conoce como fuerza débil, que media en este proceso, y es posible calcular cuántas WIMP reliquia podrían existir hoy en día. La respuesta –cerca de cinco veces más WIMP que materia ordinaria– está en línea con la abundancia observada en la materia oscura.

La segunda pata de este milagro conecta las WIMP con la masa del bosón de Higgs de hoy en día. Con un peso más de 130 veces superior al del protón, según mediciones del LHC, el Higgs es una de las partículas con más masa que conocemos. Sin embargo, los principios de la mecánica cuántica sugieren que la masa del Higgs debería ser inestable, y que interactúa con las partículas conocidas para crecer a un tamaño miles de millones de veces superior. A menos que su crecimiento descontrolado de alguna manera está siendo anulado por nuevas partículas fundamentales masivas que aún no han sido descubiertas. Tales partículas son una de las predicciones clave de la supersimetría, una extensión popular del Modelo Estándar que llena los vacíos teóricos postulando que cada partícula tiene una “supercompañera”. Muchas de las teorías de supersimetría predicen que la supercompañera más ligera sería una partícula estable, neutral y de interacción débil –es decir, una WIMP–. Esta es la partícula fantasma que el LHC ha estado buscando y que no ha encontrado en sus últimas colisiones. “Es notable cómo estas dos líneas totalmente independientes de evidencias convergen para decir que estas partículas pueden existir dando como resultado el tipo y la cantidad de materia oscura correcta”, dice Neal Weiner, un teórico de la materia oscura de la Universidad de Nueva York. “Ese es el milagro WIMP”.

Sin embargo, en los últimos años los teóricos han sugerido que las WIMP podrían no ser tan milagrosas como parecen. En 2008, Jonathan Feng y Jason Kumar, ambos en la Universidad de California, en Irvine, en aquel entonces, mostraron cómo la supersimetría también podría producir una clase hipotética de partículas mucho más ligeras y que tendrían interacciones mucho mas débiles que las WIMP. “Estas partículas dan como resultado la misma cantidad de materia oscura que vemos hoy, pero no son las WIMP”, dice Feng. “Esto altera el orden establecido, ya que está tan bien producidas teóricamente (como las WIMP). Lo llamamos el milagro de la ausencia de las WIMP”.

Los fundamentos teóricos de los modelos simples para explicar las WIMP se están derrumbando y la lista de esfuerzos fallidos para detectarlas sigue creciendo. Estos dos factores han llevado a Feng y a muchos otros a proponer que las WIMP son parte de un cuadro mucho más complicado: un nuevo reino del universo que está totalmente oculto y lleno de múltiples variedades de partículas oscuras que interactúan entre sí a través de un conjunto de fuerzas oscuras, tal vez intercambiando cargas oscuras a través de ráfagas de luz oscura. Debido a que ofrecen a los teóricos muchas más variables con las que jugar, estos modelos "del sector oscuro" pueden ser adaptados para meterlos en la camisa de fuerza de la materia oscura, la cual cada vez se estrecha más por culpa de los nuevos datos.

El problema es que esta creciente flexibilidad hace que sea muy difícil probarlas de manera concluyente. “Con el sector oscuro, uno puede inventar casi cualquier cosa”, dice David Spergel, astrofísico de la Universidad de Princeton. “Ahora que hemos perdido la orientación del milagro de las WIMP, el espacio para nuevos modelos es enorme. Es como un parque infantil en el que no sabemos cuáles son las decisiones correctas y ahora necesitamos que la naturaleza nos de mas pistas para saber hacia dónde ir”.

Puede que solo hayamos arañado la superficie de toda la diversidad de las partículas y fuerzas de la naturaleza –solo nos hemos centrado en los quarks, fotones y otros similares, ya que son familiares y accesibles para nosotros. Si ese fuera el caso, seríamos “como un borracho que ha perdido las llaves y las busca solamente bajo las farolas porque ahí es donde está toda la luz”, dice Weiner. “Hay escenarios que simplemente no podemos probar con nuestra tecnología actual. Por otro lado, si eres creativo, tal vez puedas poner nuevas farolas”.

 

GANADORES IMPROBABLES

De todas las otras farolas conocidas hasta ahora, pocas o ninguna cumple con todos los requisitos de los teóricos. Al igual que las WIMP, algunos de estos candidatos alternativos para explicar la materia oscura también tienen bases teóricas convincentes. Su relativa oscuridad, según algunos expertos, se debe en parte al hecho de que no son tan ricos, desde un punto de vista fenomenológico, como la hipótesis de las WIMP, porque ofrecen un número menor de señales tentadoras y de cuestiones interesantes para los experimentadores y teóricos.

El año pasado un equipo de investigadores ganó un Premio Nobel por descubrir que las fantasmales partículas de interacción débil conocidas como neutrinos vienen en tres “sabores” y poseen masa. Las tres variedades de neutrinos no tienen la masa suficiente para explicar la materia oscura, pero en virtud de tener masa abren la posibilidad de que exista un cuarto sabor –el llamado “neutrino estéril”, que sí tendría mucha masa–.

“Casi todos los mecanismos de generación de masa de neutrinos requieren la existencia de neutrinos estériles y sería muy fácil que alguno de estos neutrinos estériles explicara la materia oscura”, dice Kevork Abazajian, teórico de U.C. Irvine. Pero ninguna de las búsquedas de neutrinos estériles los ha hallado, incluyendo la más sensible hasta ahora, informó a finales de agosto el equipo que está usando el IceCube en la Antártida.

Otro candidato perennemente desaventajado para explicar la materia oscura es el axión, una hipotética partícula de interacción débil que fue postulada por primera vez en 1977 para explicar y resolver las misteriosas asimetrías en las interacciones cuánticas. Para que los axiones puedan explicar la materia oscura, tendrían que ocupar un rango relativamente estrecho de masas y ser mucho más ligeras que las WIMP, haciéndolos potencialmente aún más difícil de detectar. “Si no encontramos las WIMP, los teóricos acabarán poniendo sus apuestas en los axiones”, dice Peter Graham, físico de la Universidad de Stanford que estudia los axiones y otros candidatos a materia oscura.

Más allá de las WIMP y los sectores oscuros, los neutrinos estériles y los axiones, hay posibilidades todavía más exóticas para explicar la materia oscura, aunque se sitúan en la periferia de la física.

Los agujeros negros que podrían haber sido creados poco después del big bang podrían constituir la masa oculta del universo, pero tendrían que existir en tal cantidad que es probable que ya los hubiéramos descubierto a través de otros medios. A pesar de eso, las búsquedas de estos agujeros negros “primordiales” aún no han sido lo suficientemente exhaustivas para descartar del todo que sean la fuente de la materia oscura. Otra alternativa es que la materia oscura sea la huella hiperespacial de partículas viajando a través de otra dimensión vecina que está oculta –aunque ni el LHC ni ningún otro acelerador ha descubierto evidencia convincente de que esta dimensión exista–.

Lo más inquietante es que la materia oscura podría ser en gran medida ilusoria, lo que indicaría que hay un defecto en nuestra comprensión de la gravedad a través de la teoría de la relatividad de Einstein. Diversas teorías de la “gravedad modificada” que sugieren que la fuerza se debilita en determinadas circunstancias podrían servir para explicar algunas observaciones respecto a la materia oscura –en particular la dinámica de las galaxias– pero no logran explicar los efectos en los cúmulos de galaxias y en el brillo latente del big bang que los astrónomos atribuyen a la materia oscura.

Pero, del mismo modo que hay una preferencia por las WIMP en lugar de los axiones y los neutrinos estériles, algunos físicos sospechan que el rechazo generalizado de la gravedad modificada es al menos parcialmente debido a la sociología de los científicos y no tanto al proceso científico. “La gravedad modificada no es ‘bonita’ en los ojos de los físicos de partículas”, dice Sabine Hossenfelder, una física teórica del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt, en Alemania. “Los físicos de partículas se ganan la vida inventando nuevas partículas; por supuesto, eso es lo que prefieren”.

Cualquiera que sea su candidato preferido, la mayor preocupación para muchos de los físicos que se enfrentan a la materia oscura no es que el concepto vaya a verse eventualmente como algo válido o totalmente erróneo –la evidencia observacional de la existencia de la materia oscura es abrumadora–. Su verdadera preocupación es que la identidad de la materia oscura podría llegar a ser irrelevante para resolver otros grandes misterios de la física y por lo tanto no ofrecería nuevos caminos hacia la comprensión de la verdadera naturaleza de la realidad.

“El deseo es no solo que la materia oscura exista, sino que ayude a resolver otros problemas pendientes del Modelo Estándar”, dice Jesse Thaler, un físico del Instituto  Tecnológico de Massachusetts. “No todo nuevo descubrimiento puede ser una revelación como el Higgs, tras el cual otras teorías encajan mucho mejor de repente. A veces las nuevas partículas te llevan a preguntar, ‘¿Quién pidió eso?’ ¿Vivimos en un universo donde cada descubrimiento conduce a profundos conocimientos fundamentales, o en uno donde algunas partes riman y tienen sentido, pero otras no? La materia oscura ofrece cualquiera de estas posibilidades”.