La materia oscura continúa siendo uno de los mayores misterios de la física moderna. Es más que clara su existencia, ya que sin ella no se puede explicar el movimiento de las galaxias, pero lo cierto es que hasta el día de hoy no ha sido posible detectar la materia oscura en algún experimento. Es por esto que hoy en día existen muchas propuestas de nuevos experimentos con el objetivo de detectar directamente la materia oscura a través de dispersión de los núcleos atómicos de un medio de detección, es decir, protones y neutrones.
Qué es la materia oscura
La materia oscura está compuesta por partículas que no absorben, reflejan o emiten luz, por lo que no puede ser detectada por observación o en otras palabras, es una materia que no puede ser vista directamente. Se sabe de su existencia debido a los efectos que produce sobre objetos que sí se pueden observar directamente.
Los científicos piensan que la materia oscura puede dar cuenta de los movimientos inexplicables de las estrellas entre galaxias, y ha creado diversas teorías que pueden explicar exactamente qué es la materia oscura, algunos piensan que pueden ser objetos normales como gases fríos, galaxias oscuras o halos compactos y masivos. Otros científicos piensan que la materia oscura puede componerse de partículas extrañas, las cuales fueron creadas en las primeras etapas del universo y pueden incluir axiones, partículas masivas débilmente interactuantes o neutrinos.
Lograr entender la materia oscura es importante para entender el tamaño, la forma y el futuro de nuestro universo, pues la cantidad de ella en el cosmos determinará si es abierto, cerrado o plano. Lo cual también ayudaría a explicar la formación y evolución de las galaxias y cúmulos.
Detección de la materia oscura
Debido a que la búsqueda de partículas pesadas de materia oscura, conocidas como WIMPS, no ha tenido mucho éxito hasta ahora, los investigadores han optado por buscar partículas alternativas de materia oscura, especialmente más ligeras. Al mismo tiempo, se espera que se produzcan transiciones de fase en el sector oscuro, pero lamentablemente los estudios anteriores las han pasado por alto.
Crear un modelo para detectar la materia oscura se enfrenta a un gran reto, y es que si la materia oscura interactúa muy fuertemente con la materia normal, su cantidad formada en el universo primitivo sería demasiado pequeña, lo que contradiría las observaciones astrofísicas. Sin embargo, si se produce la cantidad justa, la interacción seria demasiado débil para detectar la materia oscura en los experimentos actuales.
Cómo detectar la materia oscura
Recientemente un equipo de investigadores, conformado por Robert McGehee de la Universidad de Michigan y Gilly Elor de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (Alemania), ha propuesto un nuevo candidato para la materia oscura, al cual llamaron como HighlY Interactive ParticlE Relics (HYPER).
En el modelo de HYPER, un tiempo después de la formación de la materia oscura en el universo primitivo, la fuerza de su interacción con la materia normal aumenta bruscamente, lo que la hace potencialmente detectable en la actualidad, y que al mismo tiempo puede explicar la abundancia de materia oscura.
“No ha habido un modelo de materia oscura consistente para el rango de masas al que algunos experimentos esperan acceder. Sin embargo, nuestro modelo HYPER ilustra que una transición de fase puede ayudar a que la materia oscura sea más fácil de detectar”, afirmó Elor.
En la física de partículas, una interacción suele estar mediada por un partícula especifica, y lo mismo ocurre con la interacción de la materia normal. Tanto la formación de la materia oscura como su detección funcionan a través de dicho medidor y la fuerza de su interacción depende de su masa.
“Nuestra idea central es que la interacción cambia bruscamente una vez, de modo que podemos tener lo mejor de ambos mundos: la cantidad adecuada de materia oscura y una gran interacción para detectarla”, explicó McGehee.
El medidor debe ser lo suficientemente pesado para que se forme la cantidad correcta de materia oscura y luego lo suficientemente ligero para que la materia oscura sea detectable en absoluto, tras la formación de materia oscura se produjo una transición de fase, durante la cual la masa del medidor disminuyó repentinamente.
Así por un lado la cantidad de materia oscura se mantiene constante y por otro, la interacción se potencia o refuerza de tal manera que la materia oscura debería ser directamente detectable.
Se tienen que considerar sistemáticamente e incluir muchos escenarios, como plantearse la pregunta de si es seguro que el mediador no conduzca de repente a la formación de una nueva materia oscura, pero al final el equipo pudo concluir que el modelo HYPER funciona correctamente.
Referencias: Elor, G., M, R. Maximizing Direct Detection with Highly Interactive Particle Relic Dark Matter. Physical Review Letters 130, 031803 (2023). DOI
