Alrededor del 80% de toda la materia en el cosmos es de una forma completamente desconocida para la física actual. Lo llamamos materia oscura, porque lo mejor que podemos decir es ... oscuro. Los experimentos en todo el mundo intentan capturar una partícula de materia oscura perdida con la esperanza de comprenderla, pero hasta ahora han quedado vacías.
Recientemente, un equipo de teóricos ha propuesto una nueva forma de buscar materia oscura usando "partículas" extrañas llamadas magnones, un nombre que no acabo de inventar. Estas pequeñas ondas podrían atraer a una fugaz y ligera partícula de materia oscura fuera de su escondite, dicen esos teóricos.
El rompecabezas de la materia oscura
Sabemos todo tipo de cosas sobre la materia oscura, con la notable excepción de lo que es.
Aunque no podemos detectarlo directamente, vemos la evidencia de materia oscura tan pronto como abrimos nuestros telescopios al universo más amplio. La primera revelación, allá por la década de 1930, se produjo a través de observaciones de cúmulos de galaxias, algunas de las estructuras más grandes del universo. Las galaxias que las habitaban simplemente se movían demasiado rápido para mantenerse juntas como un cúmulo. Esto se debe a que la masa colectiva de las galaxias proporciona el pegamento gravitacional que mantiene unido al cúmulo: cuanto mayor es la masa, más fuerte es el pegamento. Un pegamento súper fuerte puede mantener unidas incluso las galaxias que se mueven más rápido. Un poco más rápido y el grupo simplemente se destrozaría.
Pero allí estaban los cúmulos, existentes, con galaxias zumbando dentro de ellos mucho más rápido de lo que deberían dar la masa del cúmulo. Algo tenía suficiente agarre gravitacional para mantener los grupos juntos, pero ese algo no emitía ni interactuaba con la luz.
Este misterio persistió sin resolver a lo largo de las décadas, y en la década de 1970 el astrónomo Vera Rubin aumentó la apuesta en gran medida a través de observaciones de estrellas dentro de las galaxias. Una vez más, las cosas se movían demasiado rápido: dada su masa observada, las galaxias en nuestro universo deberían haberse separado hace miles de millones de años. Algo los mantenía unidos. Algo invisible.
La historia se repite en todo el cosmos, tanto en el tiempo como en el espacio. Desde la primera luz del Big Bang hasta las estructuras más grandes del universo, hay algo funky ahí fuera.
Buscando en la oscuridad
Así que la materia oscura está muy presente, simplemente no podemos encontrar ninguna otra hipótesis viable para explicar el tsunami de datos en apoyo de su existencia. ¿Pero, qué es esto? Nuestra mejor suposición es que la materia oscura es una especie de partícula nueva y exótica, hasta ahora desconocida para la física. En esta imagen, la materia oscura inunda cada galaxia. De hecho, la porción visible de una galaxia, vista a través de estrellas y nubes de gas y polvo, es solo un pequeño faro frente a una costa mucho más grande y oscura. Cada galaxia se encuentra dentro de un gran "halo" formado por millones de partículas de materia oscura.
Estas partículas de materia oscura están fluyendo a través de su habitación en este momento. Se transmiten a través de ti. Una lluvia interminable de pequeñas partículas invisibles de materia oscura. Pero simplemente no los notas. No interactúan con la luz o con partículas cargadas. Estás hecho de partículas cargadas y eres muy amigable con la luz; eres invisible para la materia oscura y la materia oscura es invisible para ti. La única forma en que "vemos" la materia oscura es a través de la fuerza gravitacional; la gravedad nota todas las formas de materia y energía en el universo, oscuras o no, por lo que en las escalas más grandes, observamos la influencia de la masa combinada de todas estas innumerables partículas. ¿Pero aquí en tu habitación? Nada.
A menos que, esperamos, haya otra forma en que la materia oscura interactúe con nosotros la materia normal. Es posible que la partícula de materia oscura, cualquiera que sea, también sienta la débil fuerza nuclear, que es responsable de la desintegración radiactiva, abriendo una nueva ventana a este reino oculto. Imagina construir un detector gigante, solo una gran masa de cualquier elemento que tengas a mano. Las partículas de materia oscura fluyen a través de él, casi todas ellas de manera completamente inofensiva. Pero a veces, con una rareza que depende del modelo particular de materia oscura, la partícula que pasa interactúa con uno de los núcleos atómicos de los elementos en el detector a través de la fuerza nuclear débil, sacándolo de su lugar y haciendo que toda la masa del detector carcaj.
Entrar en el magnon
Esta configuración experimental funciona solo si la partícula de materia oscura es relativamente pesada, lo que le da suficiente empuje para destruir un núcleo en una de esas raras interacciones. Pero hasta ahora, ninguno de los detectores de materia oscura en todo el mundo ha visto ningún rastro de interacción, incluso después de años y años de búsqueda. A medida que los experimentos avanzan, las propiedades permitidas de la materia oscura se han descartado lentamente. Esto no es necesariamente algo malo; simplemente no sabemos de qué está hecha la materia oscura, así que cuanto más sepamos sobre lo que no es, más clara será la imagen de lo que podría ser.
Pero la falta de resultados puede ser un poco preocupante. Los candidatos más pesados para la materia oscura están siendo descartados, y si la misteriosa partícula es demasiado ligera, nunca se verá en los detectores ya que están configurados en este momento. Es decir, a menos que haya otra forma en que la materia oscura pueda hablar con la materia normal.
En un artículo reciente publicado en la revista en línea preimpresa arXiv, los físicos detallan una configuración experimental propuesta que podría detectar una partícula de materia oscura en el acto de cambiar el giro de los electrones (si, de hecho, la materia oscura puede hacer eso). En esta configuración, la materia oscura puede detectarse potencialmente, incluso si la partícula sospechosa es muy clara. Puede hacer esto creando los llamados magnones en el material.
Imagina que tienes un trozo de material a una temperatura de cero absoluto. Todos los giros, como pequeños imanes de barra, de todos los electrones en esa materia apuntarán en la misma dirección. A medida que aumenta la temperatura lentamente, algunos de los electrones comenzarán a despertarse, moverse y apuntar aleatoriamente sus espines en la dirección opuesta. Cuanto más alta sea la temperatura, más electrones terminan volteados, y cada uno de esos tirones reduce la fuerza magnética solo un poco. Cada uno de esos giros invertidos también causa una pequeña ondulación en la energía del material, y esos movimientos se pueden ver como una cuasipartícula, no como una partícula verdadera, sino algo que se puede describir con las matemáticas de esa manera. Estas cuasipartículas se conocen como "magnones", probablemente porque son como pequeños imanes lindos y pequeños.
Entonces, si comienza con un material realmente frío, y suficientes partículas de materia oscura golpean el material y giran algunos giros, observará magnones. Debido a la sensibilidad del experimento y la naturaleza de las interacciones, esta configuración puede detectar una partícula ligera de materia oscura.
Es decir, si existe.
Paul M. Sutter es astrofísico en La universidad de estado de Ohio, gran cantidad de Pregúntale a un astronauta y Radio espacialy autor de Tu lugar en el universo.
