¿Y si la materia oscura ya hubiera sido detectada?

¿Y si la materia oscura ya hubiera sido detectada?

Publicado por el ene 18, 2015

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Un experimento supuestamente fracasado en un laboratorio subterráneo bajo los Apeninos italianos podría resultar cierto.

El controvertido anuncio llevado a cabo hace unos años por los investigadores del experimento italo-chino DAMA, que aseguraban haber sido capaces de detectar materia oscura en su laboratorio subterráneo bajo los Apeninos italianos podría, después de todo, resultar cierto, según explica en Physical Review Letters un grupo de investigadores de Europa y Estados Unidos.

El nuevo trabajo no solo reconcilia la supuesta detección con los resultados aparentemente nulos de otros laboratorios, que nunca lograron reproducir los resultados de DAMA, sino que aporta, además, evidencias astrofísicas que refuerzan la idea de la detección. En el estudio, en efecto, se propone que la materia oscura no interactuaría con la materia ordinaria a través de ninguna de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza (gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil), sino a través de una “quinta fuerza” hasta ahora desconocida y mediada por una hipotética partícula parecida al aún no descubierto axión.

La materia oscura es una sustancia enigmática y que no emite ningún tipo de radiación, por lo que resulta imposible de detectar incluso con los más avanzados instrumentos científicos. A pesar de ello, la presencia de materia oscura puede inferirse gracias a los efectos gravitatorios que produce sobre la materia ordinaria, que sí que podemos ver en forma de estrellas, planetas y galaxias. Y los cálculos indican que la materia oscura es casi cinco veces más abundante que la ordinaria. O lo que es lo mismo, que da cuenta de cerca del 80% de toda la materia del Universo.

Hace ya algunos años, desde el experimento DAMA, una colaboración de físicos de Italia y China, se anunció que se había logrado la primera detección directa de materia oscura gracias al detector de yoduro de sodio instalado bajo el monte Gran Sasso, cerca de Roma. El histórico anuncio se basaba en una “variación estacional” en el número de destellos de luz que, según los investigadores, se producían cuando partículas de materia oscura colisionaban con núcleos de materia ordinaria en el interior del detector. El grupo argumentaba que dichas variaciones, cuyos picos se producían en Junio y sus mínimos en Diciembre, eran precisamente lo que se esperaría ver si la Tierra se estuviera moviendo a través del “halo” de materia oscura que rodea a la Vía Láctea, nuestra galaxia.

El equipo de DAMA recopiló una cantidad ingente de datos y afirmó que en sus cálculos no había lugar para ninguna fluctuación estadística que indujera a error. De hecho, anunciaron un nivel de certeza de su hallazgo de 9,3 sigma, muy por encima del 5 sigma que se considera necesario para dar por bueno cualquier descubrimiento en Física.

El problema, sin embargo, surgió cuando otros investigadores, en otras partes del mundo, no lograron repetir los resultados de DAMA a pesar de contar con detectores lo suficientemente sensibles para hacerlo. Por eso, y aunque nadie duda de que DAMA detectó una variación anual en los destellos, muchos físicos dudan de su interpretación de los resultados.

Reconciliar los resultados

Sin embargo, como señala Eugenio Del Nobile, de la Universidad de California, tales exclusiones se basan en supuestos teóricos sobre los tipos de interacción que tienen lugar en el interior de los detectores. Y en su artículo de Physical Review Letters muestran cómo un cierto tipo de partícula mediadora de fuerza pueden reconciliar los diversos resultados experimentales.

Del Nobile y sus colegas proponen la existencia de una partícula con espín 0 (el espín es una especie de rotación intrínseca de las partículas, que siempre es fija), y ello a pesar de que las partículas que transportan la unidad mínima de cada fuerza en el Modelo Estandar (como el fotón para la luz) tienen un espín 1. En ese sentido, la hipotética partícula se parecería al famoso bosón de Higgs, que es una partícula “escalar”. Sin embargo, y a diferencia del Higgs, el estado cuántico de la nueva partícula propuesta por los investigadores cambiaría cuando se invierten sus coordenadas espaciales, una propiedad que los físicos llaman “pseudoescalar”. Lo cual la convertoría en un “pariente” del hipotético axión, uno de los candidatos a ser la unidad mínima de materia oscura.

Para los investigadores, esta asimetría haría que cualquier colisión entre partículas de materia oscura con las de los núcleos del detector fueran sensibles al espín de esos núcleos. Los protones y neutrones de los núcleos de materia ordinaria se auto-organizarían en parejas con espines opuestos, y por lo tanto las interacciones implicarían, como mucho, a un solo protón o neutrón no emparejado. Esta idea contradice a la generalmente asumida de que dentro de los detectores las interacciones son “de espín independiente”, mucho más fuertes y que son la razón por la que en muchos de estos instrumentos se opta por utilizar como blanco para las colisiones núcleos pesados, como el xenón.

Para calcular los efectos de este “mediador pseudoescalar”, Del Nobile y sus colegas asumen que se comportaría de la misma forma con todos los tipos de quark que existen (los quarks son los componentes fundamentales de protones y neutrones). Y eso, explica el investigador, se traduciría en en hecho de que la materia oscura interactuaría de forma mucho más fuerte con los protones que con los neutrones, lo que favorecería los datos de DAMA, ya que sus núcleos de yodo y sodio contienen protones impares. Otros detectores, sin embargo, utilizan xenon o germanio en sus núcleos, que, en vez de protones, contienen neutrones impares. Es decir, que serían mucho menos sensibles que DAMA a la hora de detectar partículas de materia oscura.

El equipo de científicos ha mostrado también que estas “interacciones pseudoescalares” podrían explicar, además, el exceso de rayos gamma observado en el centro de nuestra galaxia, que se debería a la aniquilación de partículas de materia oscura.

Con todo, Del Nobile no se atreve a asegurar que el análisis llevado a cabo por su grupo signifique que, efectivamente, DAMA detectó materia oscura. De hecho, para llevar a cabo su trabajo tuvo que simplificar las propiedades de la materia oscura del halo galáctico. Lo que sí que afirma es que ahora esa detección resulta mucho más probable. En todo caso, afirma, la responsabilidad recae ahora en los grupos experimentales rivales de DAMA, que tendrán que explicar con más detalle lo que les llevó a descartar los resultados de DAMA.

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