detección de materia oscura

Nadie ha visto la materia oscura, pero debería atravesar los detectores como el viento atraviesa las hojas. A veces, muy raramente, una partícula de materia oscura roza el núcleo de un átomo, y entonces el detector debe captar ese empujón. El problema es que las partículas ligeras de materia oscura apenas pueden mover núcleos pesados: es como intentar derribar un bolo lanzándole una pluma.

Un cazador coloca trampas en el bosque. Conoce los hábitos de la bestia, pero no sabe si caerá en ellas. De manera similar, los físicos colocan detectores en un intento de atrapar partículas de materia oscura, una sustancia invisible que se cree constituye la mayor parte de la masa del universo.

En el hielo antártico se esconde un detector del tamaño de un kilómetro cúbico. No capta luz, sino partículas fantasma: los neutrinos. Pero a veces puede aparecer una bestia muy distinta: un par de muones que nacen juntos y se dispersan en un amplio abanico. Ese patrón no puede dibujarlo ninguna partícula conocida de la materia ordinaria.

En la galaxia NGC 1052 DF2, las estrellas se mueven a tan solo 8 kilómetros por segundo — como si no hubiera masa invisible alrededor. Para comparar: en nuestra Vía Láctea, las estrellas periféricas se aceleran hasta 200 kilómetros por segundo, retenidas por un masivo halo de materia oscura.

El universo resuena con silencio. La mayor parte de la materia — alrededor del 85% — permanece invisible, manifestándose solo a través de la gravedad. Vera Rubin ya demostró que las galaxias giran como si estuvieran envueltas en una masa invisible.

La materia oscura no deja rastro en los detectores convencionales: los atraviesa como el viento a través de una gasa. Para percibirla se necesitan instrumentos capaces de sentir el golpe de un mosquito en plena tormenta. Los sensores cuánticos con umbral de fracciones de electronvoltio (mil veces menos energía que la luz visible) son justo eso.

En la oscuridad total de una cámara de vacío flota un diminuto imán. No toca las paredes y apenas pierde energía: un guardián perfecto, listo para captar el más leve empujón. Ese guardián es justo lo que se necesita para cazar axiones. Estas partículas son las principales sospechosas del caso de la masa oculta del universo, a la que llamamos materia oscura.

El universo se parece a un enorme almacén donde hace mucho tiempo se realizó un inventario estricto. La radiación cósmica de fondo es una antigua lista de todo lo que existía 380 mil años después del Big Bang. Según ella, la proporción de materia en el 'presupuesto' total del cosmos (el parámetro Omega_m) se conoce con gran precisión.

Un océano que impregna todo el espacio permanece invisible para nosotros. Ese océano es la materia oscura, y las olas en su superficie son partículas llamadas axiones. Son tan ligeros y escurridizos que atraviesan la Tierra sin siquiera notarla.

Cada segundo, unas cien partículas invisibles atraviesan tu cuerpo: los muones. Nacen en lo alto del cielo cuando los rayos cósmicos chocan con los átomos del aire y caen sobre la Tierra como lluvia. Estas partículas son tan penetrantes que pueden atravesar un edificio de varios pisos, pero al encontrar materia densa, como plomo o uranio, se desvían ligeramente.

Una fotografía antigua, tomada en el momento del nacimiento del universo, nos trae su luz desde hace casi 14 mil millones de años. Esta imagen es la radiación cósmica de fondo, el eco enfriado del Big Bang. En ella quedaron registradas las mínimas irregularidades de las que más tarde crecieron las galaxias.

La historia comenzó hace casi un siglo, cuando Edwin Hubble demostró que las galaxias se alejan, y Fritz Zwicky y Vera Rubin comprendieron después que para explicar sus movimientos era necesaria una masa invisible: la materia oscura.

Al principio, instantes después del Big Bang, el universo estaba organizado de forma ridículamente simétrica: había tantas partículas como antipartículas. Pero ocurrió un desequilibrio, diminuto como un grano de arena extra en un kilo de azúcar, y todo el mundo que conocemos —estrellas, planetas, personas— surgió de ese excedente.

La materia oscura aún escapa a la observación directa, aunque su gravedad mantiene unidas a las galaxias. Una hipótesis: está compuesta de axiones, partículas muy ligeras predichas por la teoría.

Un cristal plano de átomos cargados, suspendidos en una trampa electromagnética, funciona como un estanque perfectamente liso. El más mínimo soplo produce ondas en su superficie. Este «estanque» capta los chapoteos de partículas de materia oscura y ondas del espacio-tiempo: ondas gravitacionales de alta frecuencia.

La nube de Oort es un enjambre esférico de billones de cuerpos helados en el borde mismo del sistema solar, a aproximadamente un año luz del Sol. Estos objetos están casi inmóviles entre sí hasta que alguna perturbación gravitatoria altera su reposo.

Los detectores convencionales de materia oscura se parecen a un portero de fútbol que espera un disparo potente, pero el balón apenas rueda. Las partículas invisibles que llenan nuestra galaxia a menudo se mueven demasiado despacio para que los sensores sensibles las noten.

En el borde del sistema solar, mucho más allá de la órbita de Neptuno, algo desvía a los bloques de hielo. Sus órbitas están alargadas e inclinadas de manera similar, como si una mano invisible los hubiera colocado siguiendo un mismo patrón.

La materia oscura es una masa invisible que mantiene unidas las galaxias. Se desconoce su naturaleza, pero uno de los candidatos más probables es el axión, una partícula ultraligera que casi no interactúa con la materia. Para atraparlo, los físicos han creado una trampa híbrida.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocan a casi la velocidad de la luz. A veces no se rompen, sino que intercambian fotones, las partículas de la luz. Estos fotones pueden crear un par: una partícula que el detector ve y otra que se escapa sin ser detectada.

Las imágenes de galaxias lejanas están salpicadas de arcos curvos y manchas: es la luz distorsionada en su camino hacia nosotros. El efecto, predicho por Albert Einstein, funciona como un espejo curvo gigante: un cúmulo masivo de galaxias distorsiona las imágenes de las fuentes de fondo.

En un frío profundo, a solo dos grados por encima del cero absoluto, una cavidad de cobre del tamaño de una cacerola escucha el silencio del universo.

Una bala que no atraviesa un solo blanco, sino que deja su huella en varias capas de blindaje. Así se comporta aproximadamente la materia oscura superpesada que se ha buscado por primera vez en el detector DarkSide-50.

Plomo antiguo, que permaneció en el fondo del mar durante dos mil años, se ha convertido en el corazón de un detector que busca la sustancia más esquiva del universo. Con él se cultivó un cristal transparente de wolframato de plomo de 13 gramos de masa y se enfrió casi hasta el cero absoluto.

Desde que Vera Rubin demostró de manera convincente por primera vez que las galaxias están rodeadas de materia invisible, la búsqueda de la naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los principales objetivos de la física.

La materia oscura es un pegamento invisible que mantiene unidas a las galaxias. Ya en los años 1930, Fritz Zwicky sospechó de su existencia, y en los 1970 Vera Rubin demostró que sin ella las estrellas se dispersarían.

El láser de rayos X LCLS-II en California dispara destellos cortos y potentes, como un estroboscopio en una discoteca. Entre destellos quedan pausas oscuras de 26,9 nanosegundos (milmillonésimas de segundo).

La fusión de dos estrellas de neutrones es como el golpe de un gong: un estremecimiento del espacio se expande por el universo, una onda gravitacional. Los detectores en la Tierra captan ese estremecimiento y, según su fuerza, calculan la distancia hasta la fuente.

La materia oscura es una sustancia invisible, cinco veces más abundante en el universo que la materia ordinaria. Sus partículas apenas tocan los átomos, pero de vez en cuando pueden rozar un electrón, como una cuerda acariciada por el viento.

El misterio de la materia oscura fue estudiado ya por Fritz Zwicky y Vera Rubin. Durante mucho tiempo se la imaginó como un armazón frío y pasivo, que solo atraía las galaxias.

En un enorme espectrómetro en Karlsruhe, parecido a un gigantesco barril metálico, se capturan partículas que casi no se dejan atrapar. Los neutrinos son los fantasmas del micromundo: cada segundo, billones de estas partículas atraviesan tu cuerpo sin que lo notes. Pero tienen masa, y los científicos quieren medirla.

En la década de 1930, Fritz Zwicky, al observar el cúmulo de Coma, notó velocidades anómalamente altas en las galaxias: su movimiento indicaba la presencia de una enorme masa oculta que mantenía unido gravitacionalmente al sistema.

En el fondo del criostato, bajo capas de bobinas superconductoras, yace una pila de cientos de capas semiconductoras. Cada capa tiene un grosor de varios nanómetros: arseniuro de galio, luego arseniuro de aluminio y galio. Los electrones dentro de estas capas están confinados en el plano, como hormigas sobre una hoja de papel.

Una esfera de silicio de 166 nanómetros de diámetro flota en el haz de un láser infrarrojo. La presión es inferior a 10⁻⁸ mbar, y la temperatura de movimiento ronda los 10 milikelvin. Esto es más frío que la radiación cósmica de fondo.