En este artículo visitamos los recientes avances dados en la investigación sobre materia oscura.
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Es uno de los grandes misterios de la Física moderna. No sabemos qué es lo que compone la materia oscura, algo que, por otro lado, parece de existencia evidente cuando se hacen observaciones astronómicas.
La masa de la materia oscura constituye casi el 80% de toda la masa del Universo y, pese a todos los esfuerzos realizados usando diversos detectores a lo largo de todo el mundo, no hay pruebas claras de la detección de partículas de materia oscura.
Se han producido falsas alarmas de detección de partículas de materia oscura en los últimos años. Algunas ya se descartaron en su día, ahora parece que se descarta otra.
El experimento DAMA se encuentra situado dentro las montañas Gran Sasso en Italia. Desde hace unos años, los miembros del equipo investigador vienen informando de la detección de partículas WIMPs de unos 10 GeV que se manifiestan según patrón estacional. Al parecer, la colisión de estas partículas con los núcleos del material del detector varia según la estación, lo que era atribuido al movimiento relativo de la Tierra en su órbita respecto a un flujo de materia oscura.
Aunque las señales eran bastante claras, la comunidad internacional se mostraba escéptica respecto a esta supuesta detección, a lo que contribuyó que los miembros de DAMA no permitieran a otros físicos colaborar en el experimento para tratar de solventar las posibles fuentes de error. Tampoco publicaron los datos en bruto que obtenían.
En 2011 hubo otra falsa alarma cuando datos preliminares del experimento CoGeNT, diseñado para falsar los resultados de DAMA, parecían confirmar las afirmaciones del equipo de DAMA. Sin embargo, parecía que se debía a una fluctuación estadística. Dentro de algunos meses los miembros de CoGeNT publicarán los resultados que han recolectado durante el último año. Está por ver si son positivos.
Ahora los datos de XENON100 han puesto lo que parece ser el antepenúltimo clavo en el ataúd de las WIMPs estacionales de DAMA [1] [1]. En esos datos no hay ninguna prueba de la existencia de WIMPs de esa masa o de cualquier otra, pese a los cuatro años de recolección de datos. No hay modulación estacional.
En este punto hay que aclarar que en todos estos experimentos no es que no detecten nada de nada, sino que no detectan señales de partículas de materia oscura por encima del ruido de fondo de los rayos cósmicos y la radiactividad natural, pese a que estos experimentos se entierran a miles de metros de profundidad y, a veces, emplean plomo romano arqueológico de 2000 años para evitar este ruido.
Da la impresión de que todos estos experimentos son demasiado pequeños para tener una buena relación señal/ruido (si es que existe tal señal), por eso se van mejorando a base de aumentar la masa del detector. Se planea, por ejemplo, aumentar la masa de xenon hasta más de 3 toneladas para así mejorar la señal en un orden de magnitud respecto a XENON100.
Tampoco XENON100 refuta todos los posibles escenarios en los que la señal estacional de DAMA pueda ser cierta. No es 100% definitivo. Aunque sí restringe mucho las posibilidades. Una posibilidad es que, como DAMA usa yoduro sódico y el otro gas xenon, las partículas de materia oscura tengan una interacción más intensa el DAMA que en XENON100.
Ayudará en la resolución del misterio el experimento SABRE que se ha instalado en Australia y que está basado en la misma idea que DAMA. Lo sabremos este año cuando publiquen sus resultados.
Pero otros experimentos para detección de materia oscura, en concreto LUX y PandaX-II, también han informado recientemente de que no han detectado ninguna señal de la existencia de estas partículas.
Estabilidad materia oscura.
Otro resultado interesante es el cálculo que un equipo de investigadores rusos ha hecho sobre la estabilidad de la materia oscura. Si las supuestas partículas de materia oscura son estables entonces el número de estas se tiene que haber conservado desde el Big Bang. Si algunas partículas de materia oscura se desintegran en otras partículas, entonces el número de partículas tiene que variar. Esta variación en el tiempo nos puede decir algo acerca de la naturaleza de estas partículas.
Pues bien, según este nuevo estudio [2] [2], la proporción de partículas inestables en los tiempos inmediatos al Big Bang no pudo ser más de un 2% o 5% que la cantidad actual.
Según los datos del observatorio Planck la materia oscura representa un 26,8% de la masa-energía total, siendo la energía oscura un 68,3% y la materia ordinaria un 4,9%. Estos resultados vienen de la observación del fondo cósmico de microondas (FCM).
Aunque todavía no se sabe la naturaleza de la materia oscura, esta debe de encajar con las observaciones, entre ellas las de las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas, que se formó 380.000 años tras el Big Bang. Además, se puede medir la velocidad de expansión en el universo moderno y comparar los resultados.
Hay una pequeña discrepancia por encima del margen de error entre los parámetros cosmológicos en el universo moderno y los que había al poco de darse el Big Bang. Esto se podría explicar, según estos investigadores, si la proporción de materia oscura ha disminuido desde entonces debido a la desintegración de algunas de las partículas que constituyen esta materia oscura. La materia oscura podría estar constituida por diversos tipos de partículas y algunas serían inestables y se desintegrarían en otro tipo de partículas, incluidas algunas de materia ordinaria. Esto permite calcular la magnitud de la componente inestable de esa materia.
Llegan a la conclusión de que el Universo actual tiene un 5% menos de materia oscura que en la era de la recombinación (cuando se formó el FCM)
Alternativas
A la vista de todos estos resultados se buscan otras alternativas. Puede que la materia oscura no esté constituida por alguna partícula fuera del modelo estándar, sino que sea un “campo” que permee el espacio como lo hace la gravedad.
Algunos estudios apuntan a que este tipo de estructura podría surgir a partir de defectos topológicos (en forma de puntos, cuerdas o laminas) que se hubieran creado en los primeros instantes del Big Bang y que se hubieran “congelado” según el Universo se enfriaba. Ahí estaría desde entonces dirigiendo la estructura a gran escala del Universo. Porque el gran problema es que no podemos explicar la estructura y evolución del Universo sin materia oscura. Simplemente, con sólo materia ordinaria no podemos reproducir lo que vemos en la realidad.
Lo malo de esta idea de los defectos topológicos es que la teoría de la inflación niega su existencia. De haberse dado los defectos topológicos, estos habrían quedado diluidos hasta casi desaparecer durante la inflación. Aunque también podemos sacrificar la teoría de la inflación si es necesario.
Suponiendo entonces que esos defectos topológicos existan, ¿cómo detectarlos y distinguirlos de una materia oscura constituida por partículas?
Si la Tierra pasara cerca de alguno de estos defectos, que podrían ser tan grandes como un planeta, su influencia se dejaría notar gracias a los relojes atómicos, que son las máquinas más precisas de las que disponemos los humanos. Estos instrumentos pierden o gana menos de un segundo en 15.000 millones de años.
Andrei Derevianko (University of Nevada), Maxim Pospelov (Perimeter Institute for Theoretical Physics) propusieron en su día que si se usan dos de estos relojes sincronizados que estén lo suficientemente alejados entre sí, se podría detectar el paso de uno de estos defectos topológicos.
Ahora, Piotr Wcisło (Universidad Nicolás Copérnico en Polonia) propone que bastaría con solamente un reloj atómico óptico lo suficientemente sensible para detectar uno de estos defectos [3] [3]. El paso de uno de estos defectos topológicos podría aumentar o disminuir la fuerza del campo electromagnético, lo que alteraría cómo los átomos del reloj atómico responden a la luz láser que los ilumina.
Sin embargo, añade que si se usa más de un reloj la ventaja es que además se podrían responder a otras cuestiones como el tamaño de estos defectos. Wcisło calcula que el paso de un defecto de tamaño terrestre cerca de la Tierra podría alterar la red de relojes atómicos en 30 segundos, incluidos los necesarios para el buen funcionamiento del GPS. Aunque los relojes atómicos de los satélites de esta red están ya alejados de lo mejor que se puede ahora proporcionar, ya contaríamos con una red gigantesca para detectar estos defectos.
La Tierra se mueve a unos 300 km/s según el Sistema Solar orbita el centro galáctico. Si esos defectos existen, tarde o temprano nos encontraremos con alguno, pero la probabilidad de tal encuentro es algo que nadie parece poder calcular con seguridad.
Wcisło y su equipo están tratando de desarrollar una red de relojes atómicos ópticos conectados por fibra y alejados miles de kilómetros entre ellos para así formar un gigantesco observatorio.
Desde luego un experimento de este tipo es una ganga si finalmente tiene éxito, pues podrían responder a cuestiones de física fundamental y a cómo está hecho nuestro universo.
Otra posible explicación es que la materia oscura no existe y que todo se debe a que no entendemos bien la gravedad y que esta tiene componentes extras especiales o interacciones desconocidas.
Recientemente ha aparecido en los medios que la explicación de la materia oscura del holandés Erik Verlinde funciona según las observaciones, pues predeciría la idea MOND de Milgrom a escala galáctica.
Parece ser que, para distribuciones de masa esférica, que es cuando MOND funciona más o menos bien, la hipótesis de Verlinde predice los mismos resultados que MOND [4] [4]. Aunque en donde MOND falla, la idea de Verlinde se ajusta un poco mejor las predicciones de la teoría de la materia oscura.
La realidad es que ambas están lejos de haber resuelto el problema de la materia oscura con una teoría fundamental elegante, pues ni siquiera tienen buenos resultados para distribuciones no esféricas. Además, entre otras cosas, no consiguen falsar el modelo de partículas de materia oscura, sólo predicen lo mismo para algunos casos. Así que, usando la navaja de Occam, es mejor quedarse con la explicación tradicional.
La idea de Verlinde es demasiado vaga según las críticas y las MOND recuerdan mucho al sistema de epiciclos, añadiendo tantos términos y parámetros a la ley de Newton como sean necesarios para explicar las observaciones.
Parece que por esta vía no podremos deshacernos de la materia oscura.
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