¿Qué es la materia oscura? La respuesta es sencilla: nadie lo sabe. Es uno de los mayores enigmas de la ciencia.
Los científicos llevan décadas buscando pistas sobre este misterioso componente del que está hecho el 25% del universo.
Pero, ¿cómo buscas algo que ni siquiera sabes qué es?, ¿cómo encuentras algo que es invisible?
Y a todas estas, si es tan difícil de encontrar, ¿por qué embarcarse en una misión tan complicada?
Estas preguntas fueron la inspiración de un equipo de más de 250 investigadores de varios países, que recientemente publicaron los primeros resultados de un ambicioso proyecto con el que esperan, por fin, encontrar señales de la materia oscura.
Se trata del LUX-ZEPLIN (LZ), un sofisticado laboratorio ubicado a 1,5 kilómetros bajo tierra en una mina de oro abandonada en la ciudad de Lead, en Dakota del Sur, Estados Unidos.
La idea de que sea subterráneo es que esté aislado de la mayor cantidad de radiación y polvo que puedan generar contaminación que dificulte la búsqueda de la materia oscura.
Este es el mapa más detallado de la distribución de materia oscura en el universo. Las zonas brillantes representan los puntos de mayor concentración, que es donde se forman las galaxias.
Según sus creadores, el LZ es el detector de materia oscura más sensible que se haya construido.
Para ello, lograron que el interior del LZ sea "el lugar más puro en la Tierra".
"El centro del detector es como la mente de un monje budista", le dice a BBC Mundo Chamkaur Ghag, investigador del LZ y profesor en el Departamento de Física y Astronomía del University College London, en Reino Unido.
El detector está diseñado para captar una señal, así sea extremadamente débil, de lo que podría ser una partícula de materia oscura.
Es como "escuchar cuidadosamente en medio de un campo silencioso", dicen los creadores del LZ en su sitio web.
¿Cómo funciona el LZ?, ¿cómo busca la materia oscura? ¿y qué pasaría si llega a encontrarla?
La enigmática materia oscura
Actualmente, solo sabemos de qué está hecho el 5% del universo. Ese 5% corresponde a la materia ordinaria, la que podemos ver o tocar.
Las partículas que componen esa materia ordinaria están descritas en el que se conoce como el Modelo Estándar.
El 95% de materia restante es un misterio.
Nadie ha visto la materia oscura, pero sus efecto sí que se sienten en el cosmos.
Los físicos y astrónomos sospechan que de ese porcentaje, un 70% es energía oscura y un 25% es materia oscura.
La energía oscura es una especie de fuerza repulsiva que acelera la expansión del universo.
Por su parte, la materia oscura es un "algo" invisible que actúa como un imán que mantiene unidas a las galaxias.
Las observaciones astronómicas han mostrado que las galaxias giran mucho más rápido de lo que se esperaría de acuerdo a su masa visible.
Los cálculos indican que la gravedad correspondiente a esa masa no es suficiente para mantener a las galaxias unidas, así que debe haber "algo" que les añade masa, y por lo tanto gravedad extra, y evita que salgan disparadas por el espacio.
Ese "algo" que explica esa gravedad extra es la materia oscura.
Se le llama oscura porque no emite, refleja, ni absorbe la luz, con lo cual es muy difícil de observar.
Por eso, hasta el momento, la única señal que los científicos tienen de su existencia es el efecto gravitacional que la materia oscura ejerce sobre la materia ordinaria, de la que están hecha las estrellas y la galaxias, por ejemplo.
El laboratorio LZ está diseñado para detectar materia oscura.
Entonces, no sabemos qué es la materia oscura, pero sin ella, el universo sería muy distinto a como lo conocemos.
¿Y de qué está hecha la materia oscura?
Durante décadas se han formulado varias ideas para explicar de qué está hecha la materia oscura, pero aún no hay una respuesta convincente.
Una posibilidad es que esté hecha de "partículas supersimétricas", que son partículas hipotéticas que forman parejas con aquellas que conforman la materia ordinaria.
Y hay otro candidato para explicar de qué está hecha la materia oscura.
Se trata de los WIMP, una partícual hipotética que espera detectar el LZ.
Según la NASA, los WIMP son el principal candidato para explicar la materia oscura.
WIMP corresponde a las iniciales en inglés de Partícula Masiva de Interacción Débil.
Se cree que los WIMP se formaron de manera natural luego del Big Bang y que debe haber tanta cantidad de ellos que podrían ser una explicación para la materia oscura.
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Estos WIMP tendrían la capacidad de permear el universo e incluso atravesar la materia ordinaria, pero, en raras ocasiones, alguno de ellos podría chocar contra el núcleo de un átomo.
El LZ está a la caza de ese instante preciso…
Jugando al billar
El principio bajo el cual funciona el LZ es sencillo.
Se trata de un tanque hecho de titanio, lleno de 10 toneladas de xenón líquido ultrapuro.
Los investigadores eligen el xenón porque, al ser un gas noble, se puede llevar a altísimos niveles de purificación, de modo que se pueden eliminar la mayoría de los contaminantes.
El experimento consiste en observar las partículas que viajan por el cosmos hasta llegar al centro del tanque.
Con suerte alguna de esas partículas chocará con el núcleo de uno de los átomos de xenón, como si fueran dos bolas de billar.
Cuando ocurre ese choque, se genera un estallido de luz que es detectado por los sensores del LZ.
Así, luego de una colisión, la tarea consiste en analizar las características de la luz que se generó, y, a partir de análisis, deducir qué tipo de partícula fue la que chocó con el átomo de xenón.
El LZ está equipado con sensores de luz para detectar las colisiones de partículas.
Con la paciencia de un monje budista, los investigadores del LZ esperan que, en algún momento, sea un WIMP el que llegue hasta el tanque y choque con el núcleo de un átomo de xenón.
El LZ comenzó a funcionar en abril, y en sus primeros resultados publicados a principios de julio todavía no han detectado rastros de materia oscura.
El lugar más puro del planeta
Uno de los grandes retos del LZ es impedir que al tanque entren partículas indeseadas que contaminen, confundan, o impidan ver a un WIMP que de repente llegue.
El objetivo es despejar todo el escenario para cuando el WIMP, si es que existe, decida aparecer.
Por eso, es clave que el LZ esté bajo tierra.
Los rayos cósmicos bombardean la atmósfera del planeta constantemente, creando partículas que pueden llegar hasta un detector como el LZ y generar señales indeseadas.
Dos investigadores del LZ inspeccionando posibles partículas de polvo en el tanque de xenón.
Al estar 1,5 km bajo el suelo, se impide la llegada de gran cantidad de esas partículas. Puede que algunas logren llegar hasta el tanque, pero las posibilidades son 10 millones de veces menor.
¿Por qué buscar materia oscura?
"Encontrar la materia oscura nos ayudaría a resolver el problema de la masa que está perdida", dice Ghag.
"Eso equivale a entender de qué está hecho casi el 30% del universo".
Ghagtambién menciona que "entender o descubrir la materia oscura sería la primera ventana para ver más allá del Modelo Estándar, que actualmente es un cuarto cerrado".
El Modelo Estándar es hasta el momento la mejor explicación de las partículas y fuerzas que componen toda la materia ordinaria.
Este modelo, sin embargo, solo explica de qué está hecho cerca del 5% del universo.
Otra pregunta que surge es si al detectar la materia oscura, esta se podría aprovechar como fuente de energía.
Al respecto, los creadores del LZ sostienen que "es poco probable que podamos aprovechar el poder de la materia oscura en los próximos siglos".
"No está claro cuál sea el beneficio que las generaciones futuras puedan obtener del aprovechamiento de la materia oscura, aunque estas cosas tienden a ser notablemente impredecibles".
Pero además de la misión principal del LZ, el laboratorio en sí mismo es un gran avance para la ciencia y la tecnología.
Sus técnicas de análisis mediante rayos y sensores puede llevar a innovaciones en la industria alimentaria farmacéutica, y su sistema de algoritmos pueden usarse en áreas como la medicina nuclear.
"Pero quizás el mayor beneficio para la humanidad sea el conocimiento en sí mismo", dicen los creadores del LZ.
"Somos una especie curiosa, parece que estamos programados para querer saber cómo funciona el mundo que nos rodea".
- Carlos Serrano (@carliserrano)
- BBC News Mundo
