¿Qué es la materia oscura?

Mapa de toda la materia, la mayor parte de la cual es materia oscura invisible, entre la Tierra y el borde del universo observable. Imagen vía ESA / NASA / JPL-Caltech.

Por Dan Hooper, Universidad de Chicago.

Las últimas décadas han marcado el comienzo de una era increíble en la ciencia de la cosmología. Una amplia gama de mediciones de alta precisión nos ha permitido reconstruir la historia de nuestro universo con notable detalle.

Y cuando comparamos diferentes medidas (de la tasa de expansión del universo, los patrones de luz liberados en la formación de los primeros átomos, las distribuciones en el espacio de las galaxias y los cúmulos de galaxias y la abundancia de varias especies químicas), encontramos que todos cuenta la misma historia y todos apoyan la misma serie de eventos.

Francamente, esta línea de investigación ha tenido más éxito de lo que creo que teníamos derecho a esperar. Sabemos más sobre el origen y la historia de nuestro universo hoy de lo que casi nadie habría adivinado hace unas décadas que aprenderíamos en tan poco tiempo.

Pero a pesar de estos éxitos muy considerables, queda mucho por aprender. Y de alguna manera, los descubrimientos realizados en las últimas décadas han generado tantas preguntas nuevas como han respondido.

Uno de los más molestos llega al corazón de lo que está hecho nuestro universo. Las observaciones cosmológicas han determinado la densidad promedio de la materia en nuestro universo con una precisión muy alta. Pero esta densidad resulta ser mucho mayor de lo que puede explicarse con los átomos ordinarios.

Después de décadas de mediciones y debates, ahora estamos seguros de que la gran mayoría de la materia de nuestro universo, alrededor del 84 por ciento, no está compuesta de átomos ni de ninguna otra sustancia conocida. Aunque podemos sentir la atracción gravitacional de este otro asunto y decir claramente que está allí, simplemente no sabemos qué es. Estas cosas misteriosas son invisibles, o al menos casi. Por falta de un nombre mejor, lo llamamos "materia oscura". Pero nombrar algo es muy diferente de entenderlo.

Los astrónomos mapean la materia oscura indirectamente, a través de su atracción gravitacional sobre otros objetos. Imagen vía NASA, ESA y D. Coe (NASA JPL / Caltech y STScI).

Durante casi todo el tiempo que hemos sabido que existe la materia oscura, los físicos y los astrónomos han estado ideando formas de tratar de aprender de qué está hecha. Han construido detectores ultrasensibles, desplegados en minas subterráneas profundas, en un esfuerzo por medir los impactos suaves de las partículas de materia oscura individuales que colisionan con los átomos.

Han construido telescopios exóticos, sensibles no a la luz óptica sino a los rayos gamma, los rayos cósmicos y los neutrinos menos familiares, para buscar la radiación de alta energía que se cree que se genera a través de las interacciones de las partículas de materia oscura.

Y hemos buscado signos de materia oscura utilizando máquinas increíbles que aceleran los haces de partículas, generalmente protones o electrones, hasta las velocidades más altas posibles, y luego las chocan entre sí en un esfuerzo por convertir su energía en materia. La idea es que estas colisiones podrían crear sustancias nuevas y exóticas, tal vez incluyendo los tipos de partículas que forman la materia oscura de nuestro universo.

Hace tan solo una década, la mayoría de los cosmólogos, incluyéndome a mí, confiaban razonablemente en que pronto comenzaríamos a resolver el rompecabezas de la materia oscura. Después de todo, había un ambicioso programa experimental en el horizonte, que anticipamos nos permitiría identificar la naturaleza de esta sustancia y comenzar a medir sus propiedades. Este programa incluía el acelerador de partículas más potente del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones, así como una serie de otros nuevos experimentos y telescopios potentes.

Los experimentos en el CERN están tratando de concentrarse en la materia oscura pero hasta ahora no hay dados. Imagen vía CERN.

Pero las cosas no se desarrollaron como esperábamos. Aunque estos experimentos y observaciones se han llevado a cabo tan bien o mejor de lo que podríamos haber esperado, los descubrimientos no llegaron.

En los últimos 15 años, por ejemplo, los experimentos diseñados para detectar partículas individuales de materia oscura se han vuelto un millón de veces más sensibles y, sin embargo, no han aparecido signos de estas escurridizas partículas. Y aunque el Gran Colisionador de Hadrones se ha desempeñado maravillosamente en todos los estándares técnicos, con la excepción del bosón de Higgs, no se han descubierto nuevas partículas u otros fenómenos.

En Fermilab, la búsqueda de materia oscura criogénica utiliza torres de discos hechos de silicio y germanio para buscar interacciones de partículas de la materia oscura. Imagen vía Reidar Hahn / Fermilab.

La obstinada evasión de la materia oscura ha dejado a muchos científicos sorprendidos y confundidos. Teníamos lo que parecían muy buenas razones para esperar que ahora se descubrieran partículas de materia oscura. Y, sin embargo, la caza continúa y el misterio se profundiza.

En muchos sentidos, solo tenemos más preguntas abiertas que hace una o dos décadas. Y a veces, puede parecer que cuanto más precisamente medimos nuestro universo, menos lo entendemos. A lo largo de la segunda mitad del siglo XX, los físicos teóricos de partículas a menudo tuvieron mucho éxito al predecir los tipos de partículas que se descubrirían a medida que los aceleradores se volvieran cada vez más poderosos. Fue una carrera realmente impresionante.

Pero nuestra presciencia parece haber llegado a su fin - las partículas predichas por mucho tiempo asociadas con nuestras teorías favoritas y mejor motivadas se han negado obstinadamente a aparecer. Quizás los descubrimientos de tales partículas estén a la vuelta de la esquina, y nuestra confianza pronto se restablecerá. Pero en este momento, parece haber poco apoyo para tal optimismo.

En respuesta, multitudes de físicos están volviendo a sus pizarras, revisando y revisando sus suposiciones. Con egos magullados y un poco más de humildad, estamos tratando desesperadamente de encontrar una nueva forma de darle sentido a nuestro mundo.

Dan Hooper, Científico Asociado en Astrofísica Teórica en el Laboratorio Nacional de Aceleración de Fermi y Profesor Asociado de Astronomía y Astrofísica, Universidad de Chicago.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lee el artículo original.