La entidades oscuras

Viaje a los límites del universo

Cristiano Galbiati

• Publisher: Ediciones Akal
• Year: 2020
• ISBN:
  9788446049807
• Topic: Physical Sciences
• Subtopic: Astronomy & Astrophysics

"La materia oscura es el gran enigma de la ciencia del siglo xxi. Si le preguntas a un físico: "¿Qué queda por descubrir, ahora que también se ha encontrado el bosón de Higgs?", casi seguro que responderá: "prácticamente todo". Sí, porque la materia ordinaria representa solo el 5 por ciento de nuestro universo. El resto consistiría en energía oscura y materia oscura, que representaría casi el 90 por ciento de la masa total. Por cada gramo de materia ordinaria, habría, en algún lugar a nuestro alrededor, 9 de materia oscura. Aun así, algunos científicos afirman que no existe. O más bien, que no hay necesidad de hipotetizar su existencia para explicar las anomalías que se observan en la rotación de las Galaxias. Quienes llegan a esta conclusión se atreven a desafiar uno de los pilares de la física moderna: la relatividad general de Einstein. Cristiano Galbiati, que enseña física en Princeton y coordina el experimento DarkSide en los laboratorios Gran Sasso, sabe que la materia oscura es uno de los secretos más misteriosos y fascinantes de la naturaleza, celosamente guardado y aún por descifrar. "Si es cierto que nuestra Galaxia está inmersa en un aura de materia oscura", dice Galbiati, "la Tierra en rotación alrededor del Sol, que a su vez gira alrededor del Centro Galáctico, debería ser golpeada por un viento de ""partículas oscuras"": aproximadamente 100 000 cruzarían una superficie igual a la de un clavo cada segundo. Entonces, ¿por qué no tratar de interceptarlos?"En la búsqueda de materia oscura, en una competencia cerrada, trabajan grupos de físicos, astrofísicos, cosmólogos, profesionales y aficionados, experimentales y teóricos, científicos y filósofos. Todos impulsados por la imparable ambición de contribuir a un paso fundamental en el desarrollo de la ciencia: comprender y definir la naturaleza de la materia oscura cambiará la percepción del universo en el que vivimos."

I
DE LAS PARTES DEL CIELO

1. La materia

Lo que está en juego

Está pero no se ve. Como la niebla en Milán de Totó y Pepino. Es la materia oscura, uno de los misterios más fascinantes de la naturaleza, celosamente guardado y aún por descifrar. ¿Será suficiente el resto del siglo XXI? ¿O llegará mucho antes la solución? ¿O quizá sean nuestros bisnietos quienes nos revelen su secreto?

Sea cual sea el camino y su final, una cosa sí es cierta: la materia oscura es y va a ser el coto de caza preferido de los científicos en las próximas décadas. Aquí, en fuerte competencia, se van a medir los grupos de físicos, astrofísicos, cosmólogos, profesionales y aficionados, experimentales y teóricos, científicos y filósofos. Todos impulsados por la imparable ambición de ser los primeros en llegar a descubrir el misterio, conocer y revelar lo que hoy se desconoce, escribir uno de los capítulos más importantes de la ciencia y, por qué no, dejar esculpida para siempre su fama en el tiempo.

¿Por qué es tanto lo que está en juego? No podría ser de otro modo: la comprensión de la naturaleza y de las leyes físicas de la materia oscura va a cambiar la percepción del universo en el que vivimos, va a modificar los límites de los elementos fundamentales de la materia y de los campos de fuerza y va a fijar nuevas Columnas de Hércules que limiten el mundo conocido en los siglos venideros. Aquí se está haciendo la historia de la ciencia. Aquí va a formar la humanidad una nueva cosmogonía y la hará repensarse a sí misma en el universo.

En este momento tenemos que hacernos una pregunta esencial: ¿cómo hemos llegado hasta aquí? ¿Cómo es posible que la materia oscura, que ha sido ya objeto de un descubrimiento inicial que se ha ratificado como firme, que ha sobrevivido a la dura prueba que de un gran número de experimentos, esconda todavía, aún hoy, su naturaleza más íntima en el misterio más absoluto?

Por todo esto es necesario dar no uno, sino varios pasos atrás. Es necesario remontarse cien años en el tiempo.

Años treinta del siglo XX

Como hemos visto, un astrofísico suizo se da cuenta de algo que no tiene sentido en los cúmulos de galaxias. La velocidad orbital de las galaxias es demasiado alta. La idea revolucionaria nace como un primer intento desesperado de volver a poner las «piezas» en su sitio. Debe existir una materia oscura, no luminosa, que proporcione la mayor parte de la masa inerte, para poder justificar la fuerza de la gravedad que mantiene unidos los cúmulos, evitando que se dispersen en el espacio.

Interludio

En los cuarenta años siguientes a la primera aparición de la materia oscura nadie la tomó demasiado en serio. Eran los años del advenimiento de la física nuclear y la bomba atómica; luego, a continuación, los de la física subnuclear y del triunfo de los aceleradores en la exploración de las partículas fundamentales: ¿por qué preocuparse por algo tan lejano y recóndito, cuando la exploración de lo infinitamente pequeño ofrece horizontes ilimitados para nuevos descubrimientos? Además, estos horizontes están directamente al alcance de la mano, accesibles mediante máquinas aceleradoras construidas en el laboratorio, fácilmente controlables, verificables todos sus engranajes, reproducibles. El progreso tecnológico es tal que se puede disponer de energías cada vez más altas con una regularidad temporal extrema, creando así partículas cada vez más pesadas. El horizonte de exploración avanza sin descanso, como en una carrera hacia el oeste en la pradera ilimitada.

Las nuevas máquinas están generando mundos nuevos. Son los años en los que la física de partículas atrae a los mejores talentos de las cuatro esquinas del planeta. Son también los años en los que todo lo que no coincide estrictamente con la investigación en las máquinas aceleradoras es despreciado a veces como tema de investigación de segunda. En un primer momento se confunde la cosmología con la astrología, y es prohibida a veces en los programas de estudio oficiales. Incluso los físicos y astrofísicos que participan en el estudio de las reacciones de física nuclear que suministran toda la energía del Sol son vistos con desconfianza.

Años sesenta del siglo XX

Avance rápido, hasta los años sesenta, en la primera medición de los neutrinos solares. Detengámonos por un momento para entender bien de qué se trata. La energía radiante del Sol es generada por reacciones nucleares que tienen lugar en su núcleo. La densidad de la materia en el núcleo del Sol es tan grande que ralentiza las partículas de luz, los fotones, que se propagan hacia la superficie muy lentamente debido a las continuas colisiones con los electrones. Se necesitan entre diez y cien mil años para que los fotones generados en el núcleo lleguen a la superficie del Sol. Las únicas partículas producidas por las reacciones nucleares que logran escapar del núcleo en tiempo real son los neutrinos. Los neutrinos son partículas fascinantes y de propiedades únicas, en la actualidad todavía inexploradas en gran parte y objeto de estudios en profundidad. Sus interacciones son tan débiles que no se ven detenidas por la materia densa en el núcleo. Se propagan en el Sol y en el espacio interplanetario a una velocidad cercana a la de la luz, y en solo ocho minutos llegan a la Tierra, como únicos mensajeros directos y en tiempo real de las reacciones de fusión que tienen lugar en el núcleo del Sol.

A finales de los años sesenta, la primera medición de los neutrinos solares da como resultado una fuerte contradicción con el flujo de neutrinos esperado. Se espera un flujo bien definido que se corresponda con la medición altamente precisa de la energía irradiada por el Sol, pero algo no sale bien: más de dos tercios de los neutrinos faltan en el recuento. Esta discrepancia, que lleva el nombre de «problema de los neutrinos solares», es despreciada por la mayor parte de la comunidad de físicos de partículas, teóricos y experimentales: ¡según ellos, lo más seguro es que hayan contado mal o que haya algún problema con la técnica experimental! Es el tipo de actitud que nos da, más que ninguna otra, la señal de que en esos años ninguna otra disciplina, aparte de la física de los aceleradores, parezca digna de la más alta consideración. Sin embargo, poco después, la historia y la física decretarán un resultado dramáticamente diferente: se confirmará el problema de los neutrinos solares y, finalmente, se acabará abriendo las puertas a un nuevo y sensacional descubrimiento. Pero esta es otra historia que merece ser contada por separado, y a la cual volveremos enseguida.

Años setenta del siglo XX

Estamos en los años setenta, época en la que una astrofísica se da cuenta de que algo no cuadra incluso en las propias galaxias. El examen requiere la medición individual detallada de la velocidad de las estrellas, por separado. El resultado vuelve a ser sorprendente: inesperadamente, la velocidad orbital de las estrellas es demasiado alta hasta en esta escala más pequeña. La masa central en el seno de la órbita de las estrellas periféricas es insuficiente para justificar la fuerza de la gravedad que mantiene unida la galaxia y evita que las estrellas acaben fuera de órbita. Todas las galaxias sometidas a examen señalan en la misma dirección: es necesario hipotetizar una materia distinta de la materia ordinaria, una nueva materia que no contribuya a la formación de estrellas, sino que sea la fuente de la gravedad que mantiene unidas a las galaxias. Una materia oscura.

¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura?

Las características de la materia oscura, redescubierta por fin, desafían los fundamentos de las leyes establecidas de la física de partículas. De hecho, la materia oscura no entra en absoluto en los rígidos cánones del esquema de clasificación de la materia ordinaria desarrollado durante el siglo XX, hoy universalmente aceptado y más conocido como modelo estándar de las partículas elementales.

Vamos a ver rápidamente en qué consiste.

El modelo estándar establece que la materia está constituida por dos bloques fundamentales: partículas ligeras (los leptones; del griego λεπτός, ligero); y partículas pesadas (los bariones; del griego βαρύς, pesado). Mientras los leptones son partículas realmente fundamentales, los bariones no lo son: son el resultado del ensamblaje de otras partículas igualmente fundamentales como los leptones, los cuarks, que están dotados de carga fraccionaria, es decir, una carga igual a una fracción de la carga de los electrones. A diferencia de los leptones, los cuarks no lo se encuentran libres en la naturaleza más que en los instantes infinitesimales que siguen a las colisiones de partículas de energía muy alta. Los cuarks se unen siempre entre ellos, en grupos de dos, tres o más, y al igual que los pequeños ladrillos de un juego de construcción se acoplan para formar bloques unitarios fácilmente reconocibles (los bariones) como unidades compactas y casi indisolubles.

El modelo estándar también establece que las fuerzas entre las partículas de materia son transmitidas por otras partículas especiales: los bosones. El bosón más simple es el fotón, que es el portador de la fuerza electromagnética y la partícula que constituye la luz. La fuerza que mantiene los cuarks cohesionados y compactos para formar bariones es mucho más intensa, y no es casualidad que se conozca como fuerza nuclear fuerte. La partícula que se intercambia entre los cuarks para transmitir la fuerza nuclear fuerte es el gluón. Hay otra fuerza que afecta a todas las partículas fundamentales, tanto leptones como cuarks, que es la fuerza nuclear débil, que resulta del intercambio de bosones pesados, el bosón Z0 y los bosones W+ y W-.

La fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil son, en realidad, dos aspectos de una sola fuerza compleja, la fuerza electrodébil, que se aplica por igual a todas las partículas fundamentales, es decir, tanto a los leptones como a los cuarks. En cambio, la fuerza nuclear fuerte se aplica única y exclusivamente a los cuarks.

Entre los leptones, la partícula más familiar y conocida es el electrón, con carga eléctrica -1. Las otras dos son las partículas μ, o muones, y τ, o tauones, dotadas también de carga -1, que en realidad se comportan como electrones más pesados; a diferencia del electrón, son inestables, es decir, que muy poco después de su creación se desintegran, mueren, dejando en su lugar partículas más ligeras y más estables.

Tres neutrinos completan el cuadro de los leptones, dotados de carga eléctrica cero (0), uno por cada uno de los tres leptones cargados: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico. A diferencia del electrón y sus dos compañeros más pesados, la ausencia de carga eléctrica de los neutrinos limita sus interacciones exclusivamente a aquellas reguladas por la fuerza débil, y esto las hace extremadamente difíciles de estudiar. ¡Pensad que las interacciones de un neutrino son tan evanescentes que para detenerlo se necesitaría un muro de plomo con las dimensiones del universo entero!

Los cuarks son los ladrillos o piezas con los que se construyen los bariones. Hay seis tipos de cuarks, partículas fundamentales con carga fraccionaria que forman los bariones: los tres cuarks con carga +2/3, que son u (de «up», o arriba, en inglés), c (de «charm», o encantado) y t (de «top», o cima); y los tres cuarks con carga -1/3, que son d (de «down», o abajo), s (de «strange», o extraño) y b (de «bottom», o fondo). Los cuarks no pueden existir como partículas aisladas excepto en los breves momentos en que se dan colisiones a energías muy altas; existen de forma estable solo en combinaciones de dos o más cuarks, con carga total agregada entera. Por ejemplo, la combinación uud, con carga +1, no es otra cosa que el protón, mientras que la combinación udd, con carga 0, no es más que el neutrón.

Los protones y los neutrones están entre los bariones más ligeros. Los protones, al igual que los electrones, son partículas estables en el tiempo, y no se ha observado nunca su descomposición en partículas más ligeras. Por el contrario, los neutrones aislados no son estables y acaban desintegrándose al cabo de pocos minutos, liberando un protón (carga +1), un electrón (carga -1) y un neutrino (carga 0). A pesar de no ser estables cuando se encuentran aislados, los neutrones pueden existir en una forma estable en el interior de los núcleos atómicos, que no son más que combinaciones de un número diverso de protones y neutrones; en estas combinaciones, la desintegración de los neutrones puede ser inhibida por leyes de conservación de energía. Los neutrones también pueden existir en forma estable dentro de conglomerados muy grandes, conocidos como estrellas de neutrones. Las estrellas de neutrones representan uno de los posibles estadios finales de la vida de estrellas muy pesadas, con una masa igual a al menos diez veces la del Sol, que tras el agotamiento del combustible nuclear se colapsan para formar un núcleo denso de material neutro. Incluso en el caso de las estrellas de neutrones, que podemos imaginar como un gigantesco núcleo atómico, el decaimiento de los neutrones se ve inhibido por leyes de conservación.

Protones, neutrones y electrones constituyen todas las formas de materia conocidas en la Tierra. Su forma fundamental de agregación es el átomo: cada átomo está compuesto por un núcleo atómico, un agregado de protones (cuyo número se indica mediante la variable Z, número atómico) y los neutrones (cuyo número es A-Z, donde A, el número másico, es igual al número total de neutrones y protones). Alrededor del número atómico, que tiene carga total +Z, los electrones Z giran con carga total -Z, formando así una estructura con carga eléctrica total cero. Los átomos se agregan en moléculas, que a su vez se agregan a través de enlaces químicos –fuerzas de naturaleza electromagnética entre los electrones más externos que orbitan alrededor del núcleo– para formar todos los cuerpos que conocemos.

Otra forma de materia

La materia oscura, sin embargo, es completamente distinta. No está formada por combinaciones de protones, neutrones y electrones ni puede estarlo: de lo contrario, no habría ninguna razón por la que esta forma de materia no debiese contribuir a la formación de estrellas y no fuese detectada por los instrumentos tradicionales. En su lugar, debe estar compuesta por una forma de materia que se salga completamente de los cánones esta­blecidos. De hecho, la materia oscura no contribuye a la formación de estructuras macroscópicas y complejas: por lo tanto, las interacciones de...