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¿Se puede ver la materia oscura en un acelerador de partículas?

Aceleradores como el LHC del CERN aspiran a identificar de qué está hecha la materia oscura, a pesar de que ésta debería atravesar toda la máquina como si fuera aire. ¿Cuál es su plan para lograrlo?

Imagen del experimento CMS, uno de los que está llevando a cabo búsquedas de materia oscura en el LHC, el gran acelerador de partículas del CERN. La imagen muestra varios de los detectores del experimento, organizados en forma de “capas de cebolla”: las partículas salen del centro, van atravesando las diversas capas y dejan información en cada una sobre su identidad y la energía que transportan.
Imagen del experimento CMS, uno de los que está llevando a cabo búsquedas de materia oscura en el LHC, el gran acelerador de partículas del CERN. La imagen muestra varios de los detectores del experimento, organizados en forma de “capas de cebolla”: las partículas salen del centro, van atravesando las diversas capas y dejan información en cada una sobre su identidad y la energía que transportan.CERN
Alberto Aparici
  • Alberto Aparici@cienciabrujula
    Doctor en física de partículas por vocación y, quién lo iba a decir, divulgador científico. Hablo de ciencia en Onda Cero, en el pódcast Coffee Break y en el Instituto de Física Corpuscular. La verdad está en las ecuaciones, pero para entenderla hace falta convertirla en palabras.
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La materia oscura está en el centro de todas las miradas en la física del siglo XXI. Tras cincuenta años de acumular evidencia parece claro que el 85% de la materia del universo no está hecha de átomos. Y cuantas más pruebas encontramos más irritante resulta constatar que sabemos lo que la materia oscura no es, pero no tenemos ni idea de lo que es. Por ahora, gracias a la astrofísica hemos aprendido que forma grandes nubes en torno a las galaxias, y que es una sustancia muy poco viscosa, que no se pega a los átomos ni tampoco parece pegarse a sí misma. Pero de qué está hecha esa sustancia y por qué tiene esas propiedades… son preguntas que no sabemos responder.

Y aunque no tenemos respuestas, sí tenemos algunas ideas. Una de ellas es que la materia oscura esté compuesta de agujeros negros, que son objetos puramente gravitatorios y sin viscosidad, pero esa posibilidad está fuertemente limitada por las observaciones y no todo el mundo cree que sea plausible. La idea más popular en la actualidad es que esas nubes de materia oscura que rodean las galaxias sean nubes de partículas, seguramente partículas que no forman átomos, ni planetas ni estrellas: simplemente partículas, flotando libremente por el espacio. Si esta idea es correcta tendría que existir algún tipo de partícula que sintiera muy poca afinidad por todas las demás. Una partícula que nunca se juntara con otras, y que se quede suelta en el espacio formando estas grandes nubes dispersas.

Imagen del cúmulo de galaxias ZwCl 1358+62, situado a 3700 millones de años luz de nosotros, con las nubes de materia oscura señaladas en falso color. En este caso, la distribución de materia oscura ha podido ser deducida estudiando la gravedad de este grupo de galaxias. Las zonas donde la gravedad es más intensa se han coloreado en azul, y podemos comprobar que no coinciden con una galaxia en concreto, sino que son mucho más grandes, delatando la presencia de grandes cantidades de materia que no podemos ver. Las galaxias, por su parte, están prácticamente nadando en esta nube de materia oscura.
Imagen del cúmulo de galaxias ZwCl 1358+62, situado a 3700 millones de años luz de nosotros, con las nubes de materia oscura señaladas en falso color. En este caso, la distribución de materia oscura ha podido ser deducida estudiando la gravedad de este grupo de galaxias. Las zonas donde la gravedad es más intensa se han coloreado en azul, y podemos comprobar que no coinciden con una galaxia en concreto, sino que son mucho más grandes, delatando la presencia de grandes cantidades de materia que no podemos ver. Las galaxias, por su parte, están prácticamente nadando en esta nube de materia oscura.NASA / ESA / Hubble Space Telescope

Lamentablemente, no conocemos ninguna partícula con estas propiedades. Lo más cercano son los neutrinos, que efectivamente son muy poco afines al resto de partículas, hasta el punto de que pueden atravesar planetas enteros como si fueran transparentes. Pero los neutrinos no pueden ser la materia oscura, porque son muy ligeros y formarían nubes mucho más grandes que las que observamos, así que necesitamos otra cosa: una partícula nueva que también atraviese la materia con facilidad. Pero precisamente para eso, para descubrir partículas nuevas, tenemos los grandes aceleradores como el LHC del CERN. ¿Podría ser que terminemos encontrando la materia oscura en un laboratorio, en lugar de en el espacio exterior?

Factorías de partículas

Los aceleradores como el LHC son, en realidad, máquinas para fabricar partículas. Es verdad que su nombre sólo lleva la palabra “acelerar”, pero esa aceleración nos interesa precisamente porque nos permite hacer aparecer partículas que antes no estaban ahí. Lógicamente, una partícula no puede surgir de la nada, así que lo que hace un acelerador es transformar la energía de la velocidad en partículas.

Este proceso lo describe una ecuación famosísima: E=mc², que Einstein publicó en el año 1905. En ella, la E significa “energía”, la m “masa”, y la c, “velocidad de la luz”. La ecuación dice, en pocas palabras, que la masa es una forma de energía, y que es posible transformar masa en energía y energía en masa. Los aceleradores de partículas aprovechan este segundo proceso físico: primero aceleran partículas a altas velocidades, haciéndoles acumular mucha energía cinética, y después hacen chocar esas partículas, concentrando toda esa energía en un volumen muy pequeño. Con un poco de suerte, una parte de la energía cinética se transformará en la masa de partículas nuevas.

También podemos ver este proceso desde la óptica de la teoría cuántica de campos: los campos son cosas que llenan todo el espacio y que no podemos ver cuando están en reposo. Pero si se ponen a vibrar, entonces vemos una partícula: la partícula correspondiente a ese campo. Desde este punto de vista, cuando acumulamos mucha energía en un espacio pequeño parte de ella puede “filtrarse” a uno de los campos que estaban en reposo, y hacerlo vibrar. En ese momento nosotros veremos una partícula aparecer “de la nada”. Pero no ha sido de la nada: el campo ya estaba ahí, y sólo lo hemos visto cuando le hemos inyectado energía.

Sea como sea como lo imaginemos, lo importante es que cuando las partículas chocan en un acelerador, de esos choques salen más partículas de las que habían entrado. La mayoría de las partículas que aparecen van a ser bien conocidas: serán electrones, o piones, o muones. Pero unas pocas pueden ser partículas nuevas, totalmente desconocidas, y ahí es cuando se abre la oportunidad de encontrarnos con una partícula de materia oscura.

Para analizar las cascadas de partículas que nacen en las colisiones y separar el grano de la paja los aceleradores tienen detectores especializados en partículas concretas: algunos son muy eficientes para detectar electrones, otros pueden frenar a los neutrones, que son especialmente esquivos. A menudo esos detectores de diferente tipo se colocan alrededor del punto de colisión, como abrazándolo, para evitar que se les escapen las cosas que van a nacer ahí dentro.

Detección de una colisión de partículas en el experimento ATLAS del CERN, desde dos perspectivas diferentes: frontal (izquierda) y lateral (derecha, abajo). En ambos casos la colisión ocurre en el centro y las partículas, representadas por líneas blancas, salen de ese punto hacia fuera. Las capas de color verde, rojo y azul representan detectores especializados que rodean el punto de colisión para interceptar las partículas salientes. La capa verde es el calorímetro electromagnético, especializado en detectar fotones, electrones y positrones. En rojo tenemos el calorímetro hadrónico, especializado en detectar protones, neutrones y otras partículas compuestas de quarks. En azul podemos ver las cámaras de muones, que miden la energía de estas partículas antes de que logren escapar del experimento. Las marcas verdes, amarillas y blancas en los diferentes detectores muestran dónde han depositado energía las partículas salientes.
Detección de una colisión de partículas en el experimento ATLAS del CERN, desde dos perspectivas diferentes: frontal (izquierda) y lateral (derecha, abajo). En ambos casos la colisión ocurre en el centro y las partículas, representadas por líneas blancas, salen de ese punto hacia fuera. Las capas de color verde, rojo y azul representan detectores especializados que rodean el punto de colisión para interceptar las partículas salientes. La capa verde es el calorímetro electromagnético, especializado en detectar fotones, electrones y positrones. En rojo tenemos el calorímetro hadrónico, especializado en detectar protones, neutrones y otras partículas compuestas de quarks. En azul podemos ver las cámaras de muones, que miden la energía de estas partículas antes de que logren escapar del experimento. Las marcas verdes, amarillas y blancas en los diferentes detectores muestran dónde han depositado energía las partículas salientes.CERN

Y esto nos sitúa ante un problema que puede ser muy serio. De acuerdo, pongamos que hemos sido capaces de generar una partícula de materia oscura en una de esas colisiones. ¿Cómo nos enteramos de que lo hemos hecho? Hemos dicho antes que la materia oscura no siente afinidad por ninguna otra partícula, así que aparecerá dentro del acelerador, se acercará a los detectores y… los atravesará. Como si no estuvieran ahí. No chocará con un solo átomo, simplemente saldrá volando de la máquina y se escapará al espacio exterior, como un fantasma.

Medio ambiente controlado

Por fortuna tenemos un as en la manga. Los experimentos los diseñamos nosotros, y los hemos diseñado de forma que las partículas no nos hagan la jugarreta fácilmente. El truco está en la dirección en la que salen las partículas, y en la dirección en la que habían llegado. Para producir las colisiones usamos dos chorros de partículas que se mueven en sentidos opuestos; para entendernos, digamos que uno viene desde la izquierda y otro viene desde la derecha. Los chorros chocan en un punto, y de ahí salen todas las cosas que queremos estudiar. Incluidas, presuntamente, las partículas de materia oscura.

La jugada inteligente es que nosotros no miramos todo lo que sale de ahí: nosotros sólo estamos interesados en lo que sale en una dirección distinta a la del chorro. En nuestro ejemplo, no nos fijaríamos en lo que sale hacia la derecha o hacia la izquierda, pero sí miraríamos lo que sale hacia arriba y hacia abajo (o hacia nosotros y hacia el fondo). ¿Por qué es tan interesante esto? Porque los chorros iniciales no tenían movimiento en esas direcciones, y la cantidad de movimiento siempre se conserva. O sea, que en esas direcciones el movimiento total siempre habrá de ser cero. O dicho de nuevo con nuestro ejemplo: si salen cosas hacia arriba tendrán que salir otras hacia abajo, para compensar. Nosotros controlamos los chorros iniciales, y eso nos da información sobre cómo han de ser las partículas finales.

¿Cómo nos ayuda eso a detectar materia oscura? Muy sencillo: si la materia oscura viene acompañada de otras partículas que sí podemos ver, la materia oscura no la veremos, pero sí nos daremos cuenta de que nos faltan cosas. Veremos partículas hacia arriba, pero no hacia abajo. Y como eso es imposible tenemos al menos una manera de darnos cuenta de que alguien está intentando escapar a nuestro radar.

Una colisión en el experimento ATLAS que presenta el efecto “hombre invisible”, revelando la presencia de una partícula que no hemos sido capaces de ver. En la imagen de arriba vemos que los detectores registran el paso de una partícula que sale por la parte inferior del experimento, mientras que en la parte superior los detectores no han visto nada. De esta situación inferimos que una partícula invisible ha atravesado los detectores por la parte de arriba sin dejar marca; su posible trayectoria está señalada con una línea de trazos roja. La imagen de abajo presenta el mismo evento desde una perspectiva lateral.
Una colisión en el experimento ATLAS que presenta el efecto “hombre invisible”, revelando la presencia de una partícula que no hemos sido capaces de ver. En la imagen de arriba vemos que los detectores registran el paso de una partícula que sale por la parte inferior del experimento, mientras que en la parte superior los detectores no han visto nada. De esta situación inferimos que una partícula invisible ha atravesado los detectores por la parte de arriba sin dejar marca; su posible trayectoria está señalada con una línea de trazos roja. La imagen de abajo presenta el mismo evento desde una perspectiva lateral.CERN

Los amigos del hombre invisible

En definitiva, nuestra estrategia en estos experimentos no es conseguir algo imposible: si la materia oscura es capaz de atravesar los átomos no hay nada que podamos hacer. Se nos escapará, como un hombre invisible. Pero si ha venido a esta fiesta con amigos entonces sí tenemos una oportunidad, porque quizá a sus amigos sí podemos verlos.

Desde luego, esta estrategia abre todo tipo de preguntas nuevas: ¿y si no viene con amigos? ¿Y si los amigos son también invisibles? ¿Quiénes son los amigos de una partícula de la que no sabemos prácticamente nada? Todas estas preguntas son muy sensatas, y no sabemos responderlas, de la misma forma que no sabemos qué demonios es la materia oscura. Pero, por lo menos, de esta forma tenemos algún sitio en el que mirar.

Y, efectivamente, la gente está mirando. Lo que se hace normalmente es partir de ciertas hipótesis sobre cómo deberían ser los “amigos” de la materia oscura, y se busca esas partículas acompañadas de un hueco, de un espacio en blanco. Lamentablemente, como sabemos tan poco sobre la materia oscura hay muchas posibles partículas compañeras. Y más lamentablemente todavía, hasta ahora no hemos encontrado la combinación mágica que nos haría decir ¡Eureka!

Así pues, los aceleradores tienen su trampa dispuesta y todo lo engrasada que la pueden tener. Por ahora no ha habido suerte, pero todos los cazadores saben que ante una presa escurridiza no hay virtud más preciada que la paciencia.

QUE NO TE LA CUELEN

  • La verdadera identidad de la materia oscura es un misterio sobre el que tenemos muy pocas pistas. Hoy en día hay centenares de modelos que proponen posibles partículas de materia oscura, pero no debemos tomar ninguno de ellos como definitivo. Necesitamos, sobre todo, datos experimentales que nos permitan discernir qué ideas son más plausibles y cuáles parecen ir por mal camino.
  • Para estrechar el cerco sobre la materia oscura probablemente no bastará con un solo experimento, sino que será necesario estudiar sus propiedades desde varios puntos de vista y, poco a poco, ir afinando cuál es la técnica que nos puede dar más información. Al fin y al cabo, estamos hablando de una sustancia para la que nuestros átomos son prácticamente transparentes.

REFERENCIAS

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