Cazando materia oscura con relojes

El 85% de la materia del universo está hecha de una sustancia totalmente desconocida. Sabemos que está ahí porque vemos cómo su gravedad mantiene unidas las galaxias, evitando que las estrellas de la periferia, que se mueven extremadamente rápido, escapen al exterior. Vemos también cómo su gravedad forma filamentos de millones de años luz en los que están colgadas las galaxias, como luces en un árbol de navidad. Es la materia oscura, un icono de la física moderna. Y uno de sus elementos más irritantes, porque aunque allá arriba, en el universo, vemos su gravedad por todas partes, aquí abajo, en la Tierra, somos incapaces de encontrarla.

No sabemos lo que es la materia oscura. Podría estar formada por objetos del tamaño de una pelota de tenis, o incluso del tamaño de un camión. Podría ser una especie de niebla difusa que envuelve a las galaxias. Sí sabemos lo que no es: con el paso de las décadas hemos descartado que esté hecha de planetas, o de estrellas oscuras, y sabemos que si se trata de agujeros negros han de tener unas características un poco especiales. En los cincuenta años que llevamos estudiándola hemos aprendido que, sea lo que sea, no se habla demasiado con la materia de la que nosotros estamos hechos: no emite luz, no emite partículas. O, al menos, no suficientes para que podamos verlas. Tampoco choca con nosotros: nuestro planeta está “nadando” en un mar de materia oscura, al igual que toda nuestra galaxia, pero nunca lo hemos notado. No nos golpean las olas de materia oscura. Tampoco nos caen meteoritos de materia oscura en la cabeza. ¿Por qué?

De nuevo, nadie lo sabe. Lo que hacemos es emitir hipótesis a partir de lo que sí sabemos del universo. La respuesta más popular a esa pregunta es que la materia oscura estará hecha de algún tipo de partícula que apenas interacciona con las nuestras. O sea, que pasa cerca de nosotros pero no nos transfiere energía, no nos golpea. Esto convierte a la materia oscura en una especie de fantasma, capaz de atravesar planetas, capaz de atravesarnos a nosotros, sin dejar ningún rastro. O, al menos, dejando un rastro tan débil que hasta ahora no hemos podido verlo. La siguiente frontera es rellenar ese hueco: podemos localizar la materia oscura en el cosmos, pero necesitamos encontrarla también aquí abajo.

Detección directa

La estrategia para lograrlo es clara: si la materia oscura nunca intercambia energía con nosotros, estamos vendidos. Simplemente, en ese caso nunca podremos encontrarla utilizando átomos. Así que vamos a explorar otras posibilidades: quizá la materia oscura sí intercambia energía con nosotros, pero es muy improbable que eso suceda. ¿Cuán improbable? Bueno, eso sí podemos medirlo. Si cogemos un átomo y lo monitorizamos hasta que una partícula de materia oscura le pegue un golpe, el tiempo que haya tardado es una medida de lo probable o lo improbable de ese suceso.

Pero hacerlo con un solo átomo sería un poco tonto, claro. Sabemos que el suceso es extremadamente improbable, así que habrían de pasar muchos millones de años. Lo lógico es coger un buen puñado de átomos. Kilos. Toneladas, si podemos. Así tendremos muchos más blancos y la esperada colisión tardará menos en ocurrir. Ésta es la idea de los experimentos de detección directa de materia oscura. Proyectos como LUX, en Estados Unidos, XENON, en Italia, o el español ANAIS, en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. Hasta ahora ninguno de ellos ha encontrado la preciada colisión.

Estos experimentos, sin embargo, descansan sobre una idea básica: que si la colisión se produce la veremos. Es decir, que si la materia oscura golpea a un átomo éste se moverá lo suficiente como para que podamos verlo. Eso sólo sucede si la partícula de materia oscura pesa por lo menos tanto como un protón. Si es más ligera… podrá chocar, sí, pero no nos daremos cuenta. Y recordemos que no sabemos casi nada sobre la materia oscura, así que es perfectamente posible que sea ligera. Es en este punto cuando los relojes acuden al rescate.

Relojes atómicos

Para poder encontrar el rastro de la materia oscura necesitaremos relojes extremadamente precisos, porque el fenómeno al que nos enfrentamos es también extraordinariamente sutil. Los mejores que tenemos ahora mismo son los relojes atómicos, pero para entender cómo nos pueden ayudar, primero hemos de entender un poco cómo funcionan.

Todos los relojes necesitan alguna cosa que les permita medir el tiempo, una referencia que siempre dure lo mismo. En los de péndulo es la oscilación periódica del péndulo, en los de cuarzo es la vibración de un cristal de cuarzo. En los relojes atómicos esta referencia es una onda electromagnética que va a “mover” los electrones en el interior de un átomo.

Los electrones en los átomos se organizan en niveles, que podemos imaginar como si fueran pisos en un edificio. Si dejamos tranquilos a los electrones ellos se quedarán en los pisos que les corresponden, pero si les enviamos energía en forma de ondas electromagnéticas a lo mejor un electrón la absorbe y sube al piso de arriba. Cuanto más se ajuste la energía de la onda a la que el electrón necesita para subir, más probable será que el electrón la tome y dé el salto. Un reloj atómico lo que hace es lanzar ondas electromagnéticas contra un conjunto de átomos y observar en cuántos de ellos el electrón ha subido al piso de arriba. Un circuito electrónico se encarga de encontrar la energía justa para que la onda haga subir el máximo número de electrones, y en ese momento hemos encontrado la referencia que buscábamos: la duración de esa onda, su periodo, es el “péndulo” de los relojes atómicos.

Así pues, el funcionamiento de estos relojes está íntimamente ligado a las propiedades del átomo: nos tomamos muchas molestias para encontrar la onda electromagnética adecuada para que los electrones se muevan al nivel de arriba. La razón por la que estos relojes se pueden usar para encontrar materia oscura es que esta puede modificar sutilmente las propiedades de un átomo.

Distorsionando el átomo

Como ya hemos dicho antes, nuestro planeta está nadando en un océano de materia oscura que, en principio, no se habla con nuestros átomos. Pero la premisa para poder detectar materia oscura es “quizá sí se habla, pero muy poco”. Si es ése el caso, el hecho de estar rodeados de partículas de materia oscura va a afectar a las propiedades de nuestras partículas: de la misma forma que la luz no tiene las mismas propiedades cuando está dentro del agua, los electrones o los protones no tienen las mismas propiedades cuando están sumergidos en materia oscura. Cosas como su masa, o incluso la intensidad de la fuerza eléctrica, van a cambiar ligeramente. Esos cambios, a su vez, van a alterar los niveles de los átomos. Y, con ellos, la referencia de nuestros relojes, que medirán segundos un poco más largos o un poco más cortos.

La búsqueda es, pues, muy indirecta: aspiramos a identificar cambios en los comportamientos de los relojes que podamos atribuir al efecto de la materia oscura. Para eso hay que conocer al detalle el reloj, y estar seguro de que lo que estamos observando no se debe a cualquier otro fenómeno. Pero, si se encontrase, sería una noticia extraordinaria para la física: sería la prueba de que la materia oscura sí se habla con los átomos.

A día de hoy ninguno de estos experimentos con relojes atómicos ha encontrado rastro alguno de materia oscura. En su descargo hemos de decir que es una búsqueda extremadamente intrincada: necesitaríamos un reloj dentro del mar de materia oscura y otro fuera, para comparar. Pero, hasta donde sabemos, todo nuestro planeta está inmerso en ese mar. Por eso los experimentos hasta ahora se han limitado a buscar regiones más densas en el océano de materia oscura, que al atravesar nuestro planeta irían afectando a relojes en diferentes puntos de la Tierra. También han buscado indicios de que los segundos que ahora medimos son más cortos o más largos que hace diez años, porque en algunos modelos de materia oscura la densidad de esta oscila, subiendo y bajando en toda la galaxia al unísono. Aunque ninguna de estas búsquedas ha tenido éxito, son la prueba de que no hay que desesperar y hay que continuar buscando. La evidencia definitiva puede estar escondida en el lugar más insospechado.

QUE NO TE LA CUELEN

• La existencia de materia oscura es un hecho ampliamente reconocido por la comunidad científica, y a día de hoy no se conoce ninguna manera de conciliar todas las observaciones sin introducir este “85% restante”.
• La identidad concreta de la materia oscura es totalmente desconocida. Podría tratarse de partículas muy ligeras, billones de veces más ligeras que los neutrinos, o muy pesadas, billones de veces más pesadas que el bosón de Higgs.
• No existe ningún experimento capaz de buscar todos esos tipos de materia oscura al mismo tiempo, porque sus propiedades son demasiado diferentes. Cada experimento se centra en un tipo y trata de confirmar o descartar su existencia.

REFERENCIAS

• Graham, Peter W. y Rajendran, Surjeet. Axion dark matter detection with cold molecules. Physical Review D vol. 84, 055013 (2011)
• Hees, A. et al. Searching for an Oscillating Massive Scalar Field as a Dark Matter Candidate Using Atomic Hyperfine Frequency Comparisons. Physical Review Letters vol. 117, 061301 (2016)
• Derevianko, A. y Pospelov, M. Hunting for topological dark matter with atomic clocks. Nature Physics vol. 10, pp. 933–936 (2014)
• Alonso, R. et al. Exploring the ultra-light to sub-MeV dark matter window with atomic clocks and co-magnetometers. Journal of High Energy Physics vol. 2019, no. 69 (2019)