Los astrónomos no la ven

31 de octubre, feliz Día de la Materia Oscura. ¿Por qué? Según sus promotores, porque everyone loves a mystery. Así que estoy a favor. La materia oscura, por ahora, es un misterio. Su existencia se conjetura desde hace casi 100 años, cuando el gruñón y mal llevado astrónomo suizo Fritz Zwicky observó que las galaxias del cúmulo de Coma se movían demasiado rápido para la masa (inferida de la luz de sus estrellas) que tenían en conjunto. Zwicky conjeturó que había una gran cantidad de materia que no emitía luz, y la llamó, naturalmente, materia oscura. A lo largo de los años, se fue acumulando cada vez más evidencia de que tenía que existir. Al movimiento de los cúmulos de galaxias se sumó, en la década de 1970, el de las estrellas dentro de las galaxias, gracias al trabajo de Vera Rubin. En la era de los telescopios espaciales empezaron a surgir evidencias en fenómenos completamente dispares: las lentes gravitacionales, la distribución espacial de cúmulos de galaxias, la distancia a las supernovas de tipo Ia (uno-a), las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas, la fracción de los elementos livianos primordiales, la absorción de la luz ultravioleta de los quasars en el universo temprano... Y todas apuntaban a lo mismo: de toda la materia del universo, más o menos un 15% es la que vemos, y un 85% no la vemos. ¿Qué sería? No lo sabemos. Es un misterio.

Ojo, que cuando los físicos dicen que no saben algo, no quiere decir que no tengan una explicación. Lo que quiere decir es que tienen muchas explicaciones, y no saben cuál es la correcta. Nunca faltaron candidatos a ser materia oscura. Obviamente, tienen que ser oscuros: ¿planetas? ¿agujeros negros? ¿gas frío? Estas y muchas más posibilidades fueron propuestas, sus efectos fueron calculados, se las sometó a verificación, y finalmente fueron descartadas. Todo apunta, hoy en día, a que se trata de ciertas partículas elementales, como los electrones, pero que no emiten ni absorben luz. Se diseñaron experimentos para detectarlas, que por ahora no han tenido éxito. Además de no producir luz, interactúan muy poquito con la materia normal, de manera que nos atravesarían, a nosotros y a nuestros detectores, casi sin dejar huella. Como los neutrinos, que discutimos en relación al premio Nobel de Física de este año. De hecho, los neutrinos fueron considerados como posibles candidatos cuando se descubrió, alrededor del año 2000, que tienen un poquito de masa. Pero también fueron descartados. 

Uno de los experimentos que está intentando detectar las eventuales partículas de materia oscura es el LUX-ZEPLIN (en Dakota del Sur, pero es una cooperación de 39 instituciones de 4 países). Es conceptualmente similar a los detectores de neutrinos que comentamos, pero en lugar de agua usa xenón líquido, contenido en un gran tanque rodeado de fotodetectores y una grilla eléctrica (por si un choque contra un átomo de xenón le arranca un electrón, que puede ser recolectado por la grilla). A principios de septiembre, LUX-ZEPLIN publicó sus primeros resultados. Durante las mediciones, realizadas en 2023 y 2024, se observaron una gran cantidad de eventos, y por supuesto la inmensa mayoría corresponden a partículas conocidas: rayos cósmicos, radiactividad natural, etc. Casi todos. Pero hay un único evento, aislado e inusual, que no puede explicarse. Corresponde a un objeto invisible, del tipo generalemente llamado WIMP, que chocó directamente contra el núcleo de un átomo de xenón. El impacto le transfirió energía, justo en el rango para el cual LUX-ZEPLIN fue específicamente diseñado, donde el ruido radiactivo de fondo esperado es prácticamente nulo. La partícula tendría una masa de unos cientos de veces la masa del protón.

¡Una sola partícula! ¿Es un descubrimiento, o es un error de medición? La relevancia estadística de este único evento es insuficiente para asegurarlo. Existe un 99.5% de probabilidad de que realmente sea materia oscura, lo cual para la vida cotidiana es una risa: ¡cualquiera diría que es certeza! Pero los físicos experimentales son gente muy meticulosa, y no van a declarar caso cerrado hasta que no sea 99.9999% seguro. Así que no lo sabemos, por ahora. Si realmente existen partículas de materia oscura en ese rango de energía, van a detectar más en los próximos años. En tal caso, retrospectivamente, el anuncio de septiembre de 2025 será la primera detección de una partícula de materia oscura.

Cuando yo era estudiante también se estaban buscando partículas conjeturales: los monopolos magnéticos, permitidos por ciertas teorías de partículas, pero jamás observados (los imanes siempre vienen con dos polos, a diferencia de las cargas eléctricas, que pueden ser positivas o negativas sin necesidad de tener a la otra al lado). Uno de los experimentos era el de Blas Cabrera en Stanford. El 14 de febrero de 1982, su aparato detectó la señal exacta que se esperaba para un hipotético monopolo magnético. Nunca nadie pudo reproducirlo. Se esperaba que los monopolos fueran extremadamente raros, reliquias del Big Bang, así que se dijo que Cabrera había detectado el único que existía, y chau, no hay más. Su grupo, finalmente, abandonó la búsqueda, y Cabrera se volcó a intentar detectar... ¡materia oscura! (en el experimento CDMS). Hoy en día, los resultados del satélite Planck permiten asegurar que el Big Bang no alcanzó la temperatura suficiente para producir monopolos magnéticos y otras partículas exóticas. ¿Pasará algo parecido con la materia oscura, o finalmente serán detectadas? Por ahora, sigue siendo un misterio.

 

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Zwicky era una de esas personas que creen que son unos genios y que siempre tienen razón, y que el resto del mundo está equivocado. Para los que más le disgustaban, usaba la expresión "bastardo esférico", porque eran bastardos sin importar desde dónde se los mirase. También inventó las expresiones supernova y estrella de neutrones.

El logo del Dark Matter Day es de Interactions.org, que promueve el evento. La ilustración del experimento LZ es de Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory. El gráfico con la posible señal WIMP es del preprint de LZ. 

La última imagen es del cúmulo de galaxias Pandora, en la cual se muestran la imagen óptica (del telescopio Hubble), el gas caliente en rojo (del Chandra), y la distribución de materia calculada en base al efecto de lente gravitacional sobre galaxias más lejanas (azul). La separación entre el gas (que es la mayor parte de la masa "normal", aun más que las galaxias mismas) y la masa "gravitacional" (que sería mayoritariamente oscura), es una de las evidencias de que la materia oscura realmente existe. Hoy en día se conocen un montón de sistemas de este tipo. Tal vez el más famoso es el Bullet Cluster. 

En la ciencia ficción, se representa la materia oscura como una pasta o algo negro. Pero el nombre inventado por Zwicky no es del todo correcto. La materia oscura no absorbe la luz, que es lo que hace un objeto negro. No es negra, es transparente. Pero un nombre marketinero nunca muere, y siempre será "materia oscura".