interacciones neutrino-materia oscura

En un laboratorio subterráneo de Dakota del Sur hay un tanque lleno de xenón líquido. Capta sucesos raros: las partículas atraviesan la Tierra, chocan contra los núcleos de xenón y estos rebotan como bolas de billar tras un golpe.

En un tanque con tres toneladas de xenón líquido, escondido en las profundidades de la tierra, algo se movió una vez. No fue el propio xenón, sino uno de sus núcleos atómicos: recibió un empujón con una energía de 248 mil electronvoltios y retrocedió como una bola de billar golpeada por una bola invisible.

Dos núcleos con el mismo número de partículas, pero con diferente forma del abrigo de neutrones, chocan a velocidades cercanas a la de la luz. El rutenio-96 y el circonio-96 son como dos gemelos, uno de los cuales tiene un abrigo un poco más grueso. Esta diferencia cambia cómo las partículas transfieren carga en la bola de fuego de la colisión.

Una enana blanca es el antiguo núcleo de una estrella como el Sol, comprimido hasta el tamaño de la Tierra. Una cucharadita de su materia pesaría varias toneladas. Una estrella de neutrones es un resto aún más denso: una ciudad del tamaño de Manhattan, pero con una masa mayor que la del Sol.

Una estrella de neutrones es una ciudad del tamaño de Manhattan que pesa como medio millón de Tierras. Una cucharadita de su materia pesaría más que el Everest. Y ahora, a esta esfera superdensa se le ha añadido algo invisible e inaprensible: partículas de materia oscura. Esto es exactamente lo que hicieron los físicos en una nueva investigación.

La luz de lejanos cuásares, abriéndose paso a través de miles de millones de años, deja en la película cósmica un patrón de líneas oscuras de absorción: el bosque espectroscópico de Lyman-alfa. Cada línea es como una nota en una grandiosa partitura, escrita por el hidrógeno del medio intergaláctico.

La materia oscura sigue siendo el fondo de bajo inaudible de la sinfonía cósmica: no emite luz, pero su atracción gravitacional da forma a las galaxias. Vera Rubin fue la primera en detectar este ritmo en los años 70, al observar la rotación de las estrellas.

Erwin Schrödinger reflexionó sobre cómo la vida mantiene el orden a pesar de la segunda ley de la termodinámica. Ni siquiera podía imaginar que parte de la respuesta se oculta en la inestabilidad de las estrellas gigantes.

La cosmología se parece a una orquesta en la que los distintos grupos de instrumentos de repente empezaron a tocar descoordinados. Las mediciones de la velocidad de expansión del universo (la constante de Hubble) basadas en el universo temprano y en el tardío arrojan números diferentes.

La colisión de dos estrellas de neutrones es un laboratorio cósmico donde la materia se comprime hasta densidades inimaginables. En los primeros instantes tras la fusión, se forma una nube ardiente que se enfría emitiendo neutrinos. Estas partículas invisibles se llevan la energía y dictan cuánta materia será expulsada al espacio y qué elementos pesados se sintetizan.

Un gran tanque subterráneo con xenón líquido espera un evento raro: el empujón de una partícula de materia oscura. Normalmente, la gravedad es demasiado débil para que ese empujón se note.

Una piedra lanzada al agua deja círculos. Un satélite que orbita la Tierra también deja una huella, pero no en el agua, sino en las leyes de la física. Su órbita no es una línea fija: gira lentamente, como la manecilla de un reloj gigante. Parte de esa rotación se explica por la gravedad ordinaria, pero cada vez hay más indicios de que algo más está interviniendo: algo invisible y omnipresente.

En lo profundo de la tierra, en Japón, se encuentra un enorme depósito de agua ultrapura. Espera a unos visitantes muy especiales: neutrinos que llegan de explosiones de estrellas lejanas. Estos visitantes son extremadamente raros: a lo largo de los años de observación, el detector Super-Kamiokande registra solo unos pocos eventos.

Un enjambre de luciérnagas apenas choca entre sí, pero cambia de color sincronizadamente intercambiando señales. Así se comportan los neutrinos en los densos flujos de estrellas en colapso: se transforman colectivamente de un tipo a otro, aunque individualmente interactúan muy débilmente.

Un enorme depósito de agua ultrapura está escondido en las profundidades de Japón. Sus paredes están cubiertas de miles de lámparas sensibles a la luz que captan débiles destellos: las huellas de partículas fantasma que atraviesan la columna de agua. Este detector, Super-Kamiokande, ha estado observando el cielo durante mucho tiempo en busca del eco de neutrinos de antiguas explosiones estelares.

Un arquitecto consulta el plano cuando construye una casa. Para los cosmólogos, el plano es el modelo estándar, y la cinta métrica, la luz de las galaxias lejanas. Recientemente, una nueva «cinta métrica», el instrumento DESI, ha medido distancias a millones de galaxias con una precisión sin precedentes.

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.

Un intérprete que, a mitad de camino por la sala, de repente empieza a transmitir el mensaje al revés. Algo así podría hacer un neutrino —esa partícula fantasma que apenas interactúa con la materia— si en su camino se encuentra con una nube de materia oscura ultraligera.

En la cocina hay un cubo con agua y otro igual con arena. Vertemos la arena en el agua y obtenemos una mezcla donde hay exactamente cinco veces más arena que agua. Así está organizado nuestro universo: hay una parte de materia ordinaria, de la que están hechas las estrellas, los planetas y nosotros mismos, y cinco partes de la esquiva materia oscura.

En la década de 1950, la astrónoma Vera Rubin descubrió que las estrellas en los bordes de las galaxias se movían demasiado rápido, retenidas por una masa invisible. Así nació el misterio de la materia oscura. No emite luz, pero se manifiesta a través de la gravedad.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo era un caldo caliente de partículas. Entre ellas podía haber neutrinos, partículas muy ligeras y casi imperceptibles. Algunos de ellos quizá eran «estériles»: apenas se relacionan con el resto de la materia, como un invitado silencioso en una fiesta ruidosa.

La materia oscura es una sustancia invisible que mantiene unidas a las galaxias, pero no emite luz. Atrapar sus partículas es como escuchar un susurro en una sala ruidosa. Los detectores comunes solo oyen los golpes fuertes, mientras que las señales débiles se ahogan entre el ruido.

En 2017, los detectores LIGO y Virgo captaron ondas gravitacionales de la fusión de dos estrellas de neutrones. Estalló una kilonova: una brillante explosión cósmica en la que, según se creía, nacen los elementos más pesados de la tabla periódica.

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.