¿Qué es la materia oscura y para qué sirve?

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Image caption John Ellis se confiesa un apasionado de la supersimetría.

Dicen que las obras musicales más difíciles de interpretar son, por lo general, las más simples. Lo mismo ocurre en el ámbito de la ciencia: preguntas como "de qué está hecho el universo" evaden incluso a los físicos más brillantes.

Pero esto puede cambiar. El Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, el acelerador europeo de partículas localizado en la frontera franco-suiza, vuelve a funcionar tras una pausa por mantenimiento y modernización de dos años.

Ahora las partículas se chocarán al doble de energía de la que la estaba disponible en los gloriosos días del descubrimiento del bosón de Higgs.

Se anticipa -o se espera- que el aumento de su potencia permita finalmente revelar la identidad de la "materia oscura", una entidad invisible pero crítica que conforma alrededor de un cuarto del universo.

Lea: Después de la partícula divina, ¿qué busca el Gran Colisionador de Hadrones?

Cuando ocurre lo que no debería

La materia oscura apareció en el radar de la mayoría de los científicos en 1974, gracias a las observaciones de la astrónoma estadounidense Vera Rubin, quien notó que las estrellas que orbitan alrededor de los agujeros negros en el centro de las galaxias en espiral como la nuestra lo hacen a la misma velocidad, independientemente de la distancia a la que se encuentran del centro.

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Image caption Neptun demora 165 años terrestres en dar una vuelta al Sol.

Esto no debería ocurrir, y no pasa aparentemente en sistemas comparables como nuestro Sistema Solar, en el que la velocidad de los planetas atrapados por la gravedad de la órbita solar se ralentiza cuanto más lejos se encuentran de la estrella.

Neptuno, por ejemplo, demora 165 años terrestres en dar una vuelta al Sol.

Esto es lo que nuestro entendimiento de la gravedad nos dice que debería ocurrir.

Las estrellas observadas por Rubin moviéndose a la misma velocidad fueron una sorpresa: tenía que haber algo más allí -que provea más gravedad- de lo que podemos ver. Materia oscura.

Lea: Nuevo giro en misterio de la antimateria

WIMP

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Image caption La materia oscura ayuda a explicar el comportamiento de las galaxias en el cielo.

La materia oscura, entonces, es un término genérico para eso (materia) que debe estar allí, pero que no podemos ver (oscura). Pero los científicos, realmente, no saben qué es.

Esto no quiere decir que no se haya progresado en el tema. Se cree ahora que la materia oscura no es sencillamente materia ordinaria formada por gas y polvo de estrellas muertas que es oscura sólo porque no brilla.

Hay un consenso en que es un miasma (aún no identificado) de partículas fundamentales como los quarks y los gluones que conforman los átomos con los que estamos mucho más familiarizados.

Estas partículas "oscuras" fundamentales se conocen como WIMP, siglas en inglés de Weakly Interacting Massive Particles, que en español podría traducirse como Partículas Masivas que Interactúan Débilmente.

Este acrónimo, como el término "materia oscura", es una descripción de cómo estas criaturas teóricas se comportan más que una definición de lo que son.

Lo de la interacción débil se refiere a que no tienen mucho que ver con la materia ordinaria.

Como la atraviesa, es muy difícil detectarla, ya que la materia ordinaria es todo lo que tenemos para hacerlo.

Lo de masivas significa simplemente que tienen masa. No tiene nada que ver con su tamaño.

Y, partículas, a falta de una mejor definición significa cosa.

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Oscura y también fría

Recapitulando, la materia oscura es una forma fundamental de partículas con características Wimp.

En teoría, estos WIMPS pueden ser una serie enorme de cosas, pero el trabajo de Carlos Frenk, profesor de la Universidad de Durham, en Reino Unido, restringió el rango de búsqueda.

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Image caption El investigador Carlos Frenk busca claves sobre la naturaleza de la materia oscura en simulaciones por computadora del universo.

En los años 80, Frenk y sus colegas anunciaron que la materia oscura debía ser del tipo Wimp, y que además, tenía que ser "fría".

En su momento fue una propuesta controvertida. Pero, recientemente, Frenk añadió modelos computarizados a esta teoría, creando universos.

"Es un proceso simple", dice. "Lo único que necesitas es gravedad y asumir una pocas cuestiones básicas".

Dos son clave. Una es que la materia oscura es de la variedad WIMP y que es fría.

Los universos que surgen de su computadora son indistinguibles del nuestro, lo cual apoya la teoría de la materia oscura fría.

Y, porque es parte de la simulación, puede hacerse visible.

La revelación de lo invisible. "Casi puedes tocarla", dice entusiasmado Frenk.

Vea: Dentro de la máquina del Big Bang

La búsqueda del Colisionador

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Image caption Las actualizaciones del Gran Colisionador de Hadrones le permitirán a partir de ahora duplicar la energía que se utilizó cuando se descubrió el bosón de Higgs.

El problema es el "casi". El hecho es que no puedes tocarla, y por eso encontrarla "en el ambiente" ha sido, hasta la fecha, imposible. Aun así, debe estar allí y debe ser una partícula fundamental. Y ahí es donde entra en juego el Gran Colisionador de Hadrones (GCH).

Lo que ocurren en el GCH es que los protones son lanzados dentro de un tubo de 27 Kilómetros de largo en direcciones opuestas.

Una vez que se aceleraron a casi la velocidad de la luz, colisionan unos con otros.

Esto da lugar a dos cosas. Primero, hace que los protones se desintegren, revelando quarks, gluones, bosones de gauge y otras partículas fundamentales de la materia atómica.

Hay 17 partículas en el modelo estándar de partículas físicas y todas ellas fueron detectadas en el GCH.

Segundo, las colisiones pueden producir otras partículas más pesadas. Cuando lo hacen, los detectores del GCH las registran.

Dave Charlton profesor de la Universidad de Birmingham está a cargo de uno de esos detectores.

"A veces se producen partículas mucho más masivas. Estas son las que estamos buscando".

Charlton -y todos los demás en el CERN- las buscan porque podrían ser las partículas que son la materia oscura.

Recreando el Big Bang

Todo suena altamente improbable -la idea de que la materia ordinaria produce materia que no puedes ver o detectar con la materia que la hizo- pero tiene sentido en términos del concepto del Big Bang.

Si la materia oscura existe, se habría producido durante el Big Bang como todo lo demás.

Y para ver qué se produjo en el Big Bang, hace falta recrear sus condiciones, y el único lugar en que puedes crear condiciones bastante similares es en el punto de colisión del GCH.

Cuanto más veloz la colisión, más cerca estamos de la temperatura del Big Bang.

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Image caption Para entender que ocurrió durante el Big Bang, los investigadores del GCH están intentando recrear sus condiciones.

Todo entonces hace pensar que la materia oscura puede llegar a producirse en un acelerador de partículas cono el GCH.

Es más, hay una teoría matemática que predice que los 17 constituyentes del modelo estándar están apareados con otras 17 partículas.

Esto se basa en el principio de la llamada "supersimetría".

John Ellis, físico teórico del Kings College, en Londres, quien trabaja en el CERN, es un apasionado de la supersimetría.

Ellis espera que algunas de estas (todavía teóricas) partículas supersimétricas aparezcan pronto.

"Esperábamos que aparecieran la primera vez en el GCH, pero no lo hicieron", confiesa.

Lo que eso significa, dice, es que las partículas supersimétricas deben ser más pesadas de lo pensado y sólo aparecerán con más energía de la que había disponible hasta ahora.

Dedos cruzados

En la segunda ronda del GCH, las colisiones se harán al doble de potencia, por eso Ellis tiene la esperanza de que esta vez aparezcan.

Si lo hacen, finalmente se habrá resuelto el problema de la materia oscura, junto con otras anomalías en el modelo estándar de física.

Pero si, como la vez pasada, la supersimetría no aparece, físicos y astrofísicos tendrán que pensar otras ideas sobre de qué está hecho el universo.

"Puede que tengamos que rascarnos la cabeza y empezar de nuevo", admite Ellis.

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