Instituto del Desierto de Santa Ana IDESA Campus Cd. Obregón
“En búsqueda de la materia oscura”
Facilitador: Dr. José Benito Franco Urrea
Materia: “Introducción al Software Educativo” Alumno: Medina Moroyoqui Ramón Especialidad: Ciencias naturales “invierno 2013”
Cd. Obregón Sonora a 07 de Junio de 2015
No todo lo que existe en el universo es visible. Los astrónomos pueden ver directamente todos los objetos astronómicos (como las estrellas) que emiten luz o cualquier otro tipo de radiación electromagnética. A más de un kilómetro y medio debajo del Gran Sasso, un macizo de la Cordillera de los Apeninos en Italia, los científicos buscan uno de los objetos más pequeños del universo y, a la vez, uno de los mayores premios de la física: las partículas WIMP. Se cree que las partículas masivas que interactúan débilmente, conocidas como WIMP por sus siglas en inglés, son el material del que está hecha la materia oscura, una sustancia invisible que constituye alrededor de una cuarta parte del universo, aunque jamás ha sido vista por los seres humanos. La gravedad es la fuerza que mantiene a los objetos juntos y la gran mayoría de ella emana de la materia oscura. A partir del big bang, este material misterioso ha sido el principal arquitecto del universo, dándole su forma y estructura. Sin la materia oscura, no habría galaxias, estrellas, ni planetas. Resolver su misterio es crucial para comprender de qué está hecho el universo. “Si no suponemos que 85% de la materia en el universo es este material desconocido, las leyes de la relatividad y la gravedad tendrían que ser modificadas. Eso sería significativo”, afirma la física Giuliana Fiorillo, integrante del equipo de 150 personas que busca las partículas en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, a unos 130 kilómetros al este de Roma. La búsqueda de la materia oscura se ha intensificado a partir del descubrimiento del bosón de Higgs hace dos años, que ayudó a estrechar el campo en que las WIMP podrían estar ocultándose. Hoy, más de 20 equipos de investigadores han salido a la caza de la elusiva sustancia, empleando algunos de los experimentos más complejos y delicados de la historia. Se han instalado detectores de materia oscura en el lecho marino a unos 2.500 metros por debajo de la superficie. Otros operan en la profundidad de las minas. Hay uno en la Estación Espacial Internacional. El nuevo experimento de materia oscura de China se encuentra 2.400 metros debajo de una montaña de mármol.
Cuando reanude sus operaciones este año, el Gran Colisionador de Hadrones también buscará wimps al hacer chocar partículas subatómicas entre sí. Los científicos estiman que la materia visible constituye apenas 4% del universo, mientras que la materia oscura es responsable del 23%. El 73% restante es un acertijo incluso mayor, una fuerza repulsiva conocida como “energía oscura”. La materia oscura no emite ni absorbe luz. Sabemos que existe porque los científicos pueden medir la inmensa fuerza gravitacional que ejerce sobre las estrellas, las galaxias y otros cuerpos cósmicos. El mejor candidato que existe sobre lo que hay al interior de la materia oscura es la WIMP: un ser etéreo que apenas interactúa con la materia regular. Miles de millones de wimps transitan por la Tierra sin chocar con nada. ¿Entonces cómo se atrapan estos elusivos fantasmas? Los investigadores esperan detectar una WIMP en el caso poco habitual de que una de estas partículas colisione contra el núcleo de un átomo, dejando detrás una señal reveladora. Sin embargo, la abundancia de otras formas de radiación puede fácilmente imitar la señal de una WIMP. Es por eso que las trampas de materia oscura a menudo son colocadas en minas o en las profundidades de las montañas. Tales lugares sólo reciben una millonésima de la radiación cósmica que regularmente golpea la superficie de la tierra. Al adentrarse en la tierra, los científicos pueden eliminar gran parte del ruido de fondo que podría confundirse con una auténtica señal de una WIMP. Para llegar al laboratorio de Gran Sasso se tiene que atravesar un túnel de 10 kilómetros debajo de la montaña. La entrada se parece al escondite de un villano de las películas de James Bond con enormes puertas de acero, una estación de vigilancia y ninguna señal de lo que hay al otro lado. Tres enormes cavernas son la base de varios experimentos de física. Uno de ellos, llamado Opera, anunció en 2011 el descubrimiento de partículas más rápidas que la luz: una declaración impresionante que terminó siendo vergonzosamente falsa.
Otro experimento es Darkside-50, y está dedicado a encontrar wimps utilizando un detector de argón. El proyecto, que cuesta US$22,8 millones, es una colaboración entre 17 instituciones estadounidenses, el Instituto Italiano de Física Nuclear y otros organismos. Darkside consiste en tres cámaras, colocadas una dentro de otra, como un juego de muñecas rusas. El caparazón exterior es un tanque cilíndrico de tres pisos lleno de agua. Adentro hay una esfera de acero del tamaño de una habitación. Al interior de la esfera hay un detector de wimps, un termo de aproximadamente un metro de altura que contiene 50 kilos de argón líquido. La idea detrás de esta estructura es que cuando una WIMP choque contra un átomo de argón, dejará un rayo de luz que será detectado por filas de fotodetectores en el interior del termo. Es allí, justamente, donde radica el desafío: esos detectores reciben todo tipo de señales todo el tiempo. Hasta ahora, ninguna ha correspondido a una WIMP. Las falsas interpretaciones han tenido varias explicaciones. En algunas ocasiones, un detector capta señales de alfa, gama y otros tipos de radiación emitida por materiales en el laboratorio, incluyendo el propio detector. Esos deben de ser estudiados y descartados. Un conjunto de intrusos particularmente preocupante son las partículas llamadas muones, que ingresan a la montaña mediante rayos cósmicos. Cuando un muón golpea un átomo en los materiales que rodean al detector —la roca, por ejemplo— se produce un neutrón. Cuando el neutrón colisiona con un átomo de argón, aparece una señal que es virtualmente indistinguible de la señal creada por una WIMP. El tanque de agua proporciona una forma de detectar los muones. En tales casos, los científicos revisan si una señal estilo WIMP observada en el detector de argón coincide exactamente con el rastro de un muón que pasa por el tanque de agua. De ser así, los investigadores saben que la señal vista en el detector de argón fue causada por un neutrón generado por muones, no por una WIMP que haría historia. “Durante un período de dos meses, vimos alrededor de cuatro señales
que parecían wimps”, recuerda Peter Meyers, un físico de la Universidad de Princeton y miembro del equipo de Darkside. “Todos resultaron ser neutrones”. Señales prometedoras, falsas alarmas, rivales escépticos: todas estas son las características que definen cualquier caza de la materia oscura. A partir de 2008, los científicos en otro proyecto —conocido como DAMA— en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso han reportado datos que, en su opinión, ofrecen evidencia sobre la existencia de la materia oscura en nuestra galaxia. No obstante, puesto que ningún experimento ha sido capaz de confirmar sus resultados a través de la detección directa, muchos físicos no están convencidos. Un equipo encabezado por el premio Nobel Samuel Ting, un físico en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT por sus siglas en inglés), anunció en septiembre que podría haber hallado un indicio de materia oscura al utilizar un detector de partículas instalado en la Estación Espacial Internacional. Sin embargo, no está nada de claro si esos resultados corresponden a colisiones de materia oscura u otra fuente cósmica. En un estudio publicado en diciembre, otro equipo informó que podría haber detectado una señal de materia oscura en rayos X que emanan de las galaxias, incluyendo nuestra Vía Láctea. El hallazgo, no obstante, debe ser confirmado. Y este mes, científicos de la Universidad de Estocolmo y otras entidades publicaron un estudio que provee evidencia de la presencia de materia oscura en la parte más recóndita de la Vía Láctea. En una mañana reciente en su laboratorio subterráneo, un grupo de científicos de Darkside analizaron los datos más recientes del experimento. Fiorillo se asomó por encima del hombro de un colega a medida que un gráfico en la pantalla de una computadora detallaba el experimento que estaban realizando. Cada segundo, la pantalla de la computadora registraba varias señales que emanaban desde el interior del detector de argón: señales de colisiones de partículas. “Observa esa señal: es inusual ya que muestra una partícula interactuando dos veces”, indicó Fiorillo. Su interés, sin embargo, no duró mucho. “Una WIMP no haría eso”, resaltó.