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Artículo publicado por Ricky Nathvani el 7 de diciembre de 2015 en Quantum Diaries

[Perdón por el título, no me he podido resistir a la tentación de entrar en la locura de Star Wars]

Decir que la detección directa de materia oscura es “difícil”, es quedarse corto por mucho. Hasta la fecha, no tenemos una detección directa definitiva en la Tierra de esta esquiva partícula que sospechamos que debería estar a nuestro alrededor. Esto parece una paradoja, ya que nuestras mejores observaciones astronómicas indican que hay aproximadamente cinco veces más materia oscura en el universo que materia normal, la materia visible que parece formar el mundo que vemos. Entonces, ¿dónde está el problema? ¿Por qué es tan difícil de encontrar?

'Musket Ball Cluster' (NASA, Chandra, Hubble, 04/12/12)

Imagen del Cúmulo Bala Crédito: NASA

La dificultad se encuentra en el hecho de que la materia oscura no interactúa con la luz (es decir, de forma electromagnética) o de forma notable con los átomos que conocemos (esto es, con la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidos los núcleos atómicos). De hecho, la única razón por la que sabemos que existe es debido a que interactúa gravitatoriamente. Vemos que las galaxias rotan a una velocidad mucho mayor de lo que lo harían sin la presencia de una invisible “materia oscura”, entre otras cosas. Por desgracia, ninguna de las partículas que conocemos del Modelo Estándar de la Física de Partículas es una candidata adecuada para explicar una materia oscura de este tipo. Sin embargo, hay diversos intentos en marcha que tratan de detectarla a través de interacciones nucleares débiles en la Tierra para establecer su naturaleza, tales como el experimento recientemente aprobado LUX-ZEPLIN, que debería estar construido y recopilando datos para 2020.

La detección directa, sin embargo, no es la única posibilidad que tienen los físicos para manejar la materia oscura. En febrero de 2014, XMM-Newton, un proyecto de espectroscopia de rayos-X de la Agencia Espacial Europea que se encuentra en órbita alrededor de la Tierra, detectó una señal de rayos-X de 3,5 keV, . Desde entonces, hay un rumor entre los cosmólogos de partículas sobre que esta señal puede proceder de algún tipo de proceso de aniquilación de materia oscura. Uno de los candidatos más sólidos a explicar la señal han sido los neutrinos estériles, un hipotético primo del neutrino del Modelo Estándar. Los neutrinos son partículas fantasmagóricas que también interactúan raramente con la materia común, pero gracias al notable trabajo de los experimentadores, se detectaron a finales de la década de 1950. Su naturaleza exacta se estudió más tarde mediante dos famosos experimentos, SNO y Super-Kamiokande, que demostraron que los neutrinos, de hecho, tienen masa, mediante la observación de un fenómeno conocido como oscilaciones de neutrinos. Tal como se informaba en octubre, los jefes respectivos de cada colaboración recibieron el Premio Nobel de Física de 2015 por sus trabajos en este campo.

La esperanza entre algunos físicos es que, del mismo modo que se han estudiado los neutrinos en los detectores durante el último medio siglo, exista una especie de “imagen especular” más pesada de estas partículas que pudiese actuar como un candidato adecuado a materia oscura. Sólo se ha encontrado que los neutrinos “giran” de una cierta forma en relación con el eje de propagación, mientras que los teóricos neutrinos estériles girarían en sentido contrario (en términos más técnicos, tienen una quiralidad opuesta). Esta diferencia puede parecer trivial, pero en la estructura matemática subyacente al Modelo Estándar, cambiaría fundamentalmente la periodicidad con la que estas partículas interactúan con las partículas conocidas. Aunque se predice que reaccionen de forma increíblemente rara con la materia común, existen procesos que, potencialmente, podrían permitir que estos neutrinos estériles emitan una señal de rayos-X con la mitad de la masa-energía de la partícula original. Dado el enorme número de ellos encontrados en lugares densos como los centros galácticos, de donde XMM-Newton estaba recopilando datos, en principio, tal señal sería medible desde regiones con una alta densidad de neutrinos estériles.

Todo esto parece perfecto pero, ¿las pruebas dan la talla? Desde el anuncio de la señal, la literatura ha ido y vuelto sobre el tema, con la viabilidad de los neutrinos estériles como candidatos a materia oscura puesta en cuestión. Se cree que la presencia gravitatoria de la materia oscura desempeñó un papel crucial en la formación de las galaxias en los inicios del universo, y la mejor descripción que tenemos depende de que la materia oscura sea “fría”, es decir, con una velocidad de dispersión tal que las partículas no vuelen demasiado cerca de la velocidad de la luz, punto en el cual sus propiedades cinemáticas son difíciles de reconciliar con los modelos cosmológicos. No obstante, los neutrinos son famosos por tener una masa tan pequeña que aún está por medirse directamente y, para explicar la señal de 3,5 keV, los neutrinos estériles tendrían que tener una masa relativamente pequeña de ~7 keV/c2, unas 15 000 veces más ligero que la predicción habitual para la materia oscura de ~100 GeV/c2. Esto implica que, bajo la energía predicha por los modelos cosmológicos estándar para la producción de materia oscura, los neutrinos estériles tendrían que tener una especie de característica “tibia”, en la cual se mueven a velocidades comparables, pero no cercanas, a la de la luz.

Otro revés ha sido que se ha puesto en cuestión la naturaleza de la señal, dado que la resolución de las medidas iniciales de XMM-Newton (y de experimentos de satélite de rayos-X como Chandra) no era lo bastante detallada como para determinar definitivamente el origen de la señal. XMM-Newton construyó un perfil de espectros de rayos-X promediando las medidas de sólo 73 cúmulos de galaxias, aunque tomará más medidas para descartar por completo la posibilidad de que la señal no proceda de los espectros atómicos de iones de potasio y azufre encontrados en los plasmas cósmicos calientes.

Pero sigue habiendo una esperanza.

En un reciente borrador enviado a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) por varios de los principales cosmólogos, se ha subrayado la compatibilidad de la implicación de un neutrino estéril de 7 keV/c2 con el desarrollo de la estructura galáctica. Para frenar los neutrinos estériles lo suficiente como para alinearlos con las observaciones cosmológicas, ha tenido que presentarse la “asimetría del leptón” (una ruptura de la simetría entre partícula y antipartículas) en el modelo. Aunque esto puede parecer un equipaje teórico extra, dado que la asimetría del leptón aún tiene que observarse, existen marcos de trabajo teóricos que pueden presentar tal asimetría con la introducción de dos neutrinos estériles mucho más pesados en la escala de GeV.

Bajo dicho modelo, no sólo podría reconciliarse nuestro candidato a materia oscura, sino que también podrían explicarse las oscilaciones de neutrinos. Por fin, la bariogénesis, la descripción de por qué hay hubo ligeramente más materia que antimateria en los inicios del universo, podría también encontrar una explicación en dicha teoría. Esto resolvería uno de los mayores misterios de la Física; el Modelo Estándar predice cantidades casi equivalentes de partículas y antipartículas en los inicios del universo, las cuales deberían haberse aniquilado sin dejar nada más que radiación, en lugar del rico y apasionante universo en el que habitamos en la actualidad. En el lado experimental, existen unos pocos experimentos propuestos para tratar de medir la señal de rayos-X con mayor detalle para determinar su forma y compararla con la predicción de tales modelos, como cohetes que vuelan con calorímetros en su interior para tratar de campar la señal observando una sección más amplia del cielo que XMM o Chandra.

Con la opinión de los expertos dividida, y más investigaciones por realizar, sería de mal gusto finalizar este artículo sin algún tipo de comentario sobre si la señal puede, o logrará, el apoyo de la comunidad científica y se convertirá en una señal de materia oscura completamente verificada. En el momento de escribir esta entrada, se ha publicado un artículo que afirma que la señal se explica mejor como una emisión de los plasmas encontrados en los núcleos galácticos. Otro borrador enviado a MNRAS, dejado en el servidor de arXiv hace unos días, afirma que la hipótesis de los neutrinos estériles es incompatible con la señal, pero que los axiones (un modelo de materia oscura que asume un tipo de partícula totalmente diferente fuera del Modelo Estándar) sigue sendo un candidato a explicar la señal. Tal vez los neutrinos estériles no son las partículas que estamos buscando.

Este tipo de empresa es sólo una de los cientos de formas en que los físicos y nuestros colegas astrofísicos estamos buscando pruebas de una nueva y fundamental física. El atractivo, para mí, como alguien cuyo trabajo probablemente sólo tendrán relevancia para los grandes experimentos terrestres como el Gran Colisionador de Hadrones, es la intersección entre modelar el nacimiento de objetos colosales, como galaxias, y las teorías de la producción de partículas subatómicas, usando comparaciones entre ambas para darles consistencia. Sin importar si los futuros experimentos con cohetes pueden recopilar suficientes datos para validar completamente las señales en términos de teorías generadas por físicos aquí en la Tierra, es un ejemplo perfecto de la amplitud de la actividad en la que están envueltos los físicos, tratando de responder a grandes preguntas como la naturaleza de la materia oscura, a través de nuestra investigación.

Un cordial saludo a Piotr Oleśkiewicz (de la Universidad de Durham) por llamar mi atención sobre este tema y por su visión sobre la cosmología, y a Luke Batten (University College en Londres) por sus correcciones.

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