Un extraño universo puede estar merodeando en las sombras

New Scientists / Ciencia Kanija
07/04/09

Son las 3.30am del 26 de diciembre de 2007 en McMurdo, Antártica. La tripulación de una instalación de globo de larga duración ha permanecido toda la noche a temperaturas bajo cero, esperando que amainaran los vientos. Por fin, el gigantesco globo despega. Repleto con un millón de metros cúbicos de helio, asciende a la estratosfera portando un experimento llamado ATIC.

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Durante 19 días, ATIC orbitó el Polo Sur estudiando los rayos cósmicos procedentes del espacio. Entonces, casi un año más tarde, el equipo de ATIC hizo un asombroso anuncio: habían encontrado que más electrones de alta energía de los esperados habían dejado su marca en el experimento. Eso podría no sonar muy importante, pero el resultado es notable debido a que podría ser un signo revelador de la materia oscura, la invisible materia que se cree que forma aproximadamente el 85 por ciento de la materia del univero.

Y no es el único. Apenas unos meses antes, una colaboración liderada por Italia informó de que un experimento de satélite, llamado PAMELA, había visto un exceso de electrones similar, junto con un exceso de positrones. Suma estos primeros resultados de los satélites de rayos gamma y los experimentos que buscar materia oscura en la Tierra, y de pronto tenemos una abundancia de nuevas pistas sobre la materia oscura. “Es un momento apasionante para hacer física de materia oscura”, dice Dan Hooper, físico en el Laboratorio Nacional Fermi en Batavia, Illinois.

La gran cantidad de pruebas sugiere que la materia oscura podría ser mucho más compleja de lo que nunca habíamos imaginado. Para empezar, el candidato favorito de los teóricos para la materia oscura pierde este favoritismo, dado que los últimos experimentos apoyan una nuevas y exóticas variedades de materia oscura. Si están en lo cierto, podríamos estar viviendo junto a un “sector oculto”, un aspecto invisible del cosmos que existe a nuestro alrededor y que incluye una nueva fuerza de la naturaleza.

Tales mundos ocultos podrían sonar extraños, pero surgen de forma natural a partir de teorías complejas como la Teoría de Cuerdas, la cual intenta fusionar lo muy grande con lo muy pequeño. Los mundos ocultos pueden, literalmente, estar a nuestro alrededor. Podrían, en teoría, estar poblados por una rica variedad de partículas y tener sus propias fuerzas. Aún así podríamos no ser conscientes de su existencia debido a que las partículas interactúan de forma extremadamente débil con la materia común de nuestro universo. Últimamente, los físicos han estado tomando en serio la idea de que las partículas de tales sectores ocultos podrían ser la materia oscura.

Sabemos muy poco sobre la materia oscura, pero conocemos que su gravedad es lo que evita que las galaxias y cúmulos de galaxias de desmiembren, a pesar de las tremendas velocidades de las estrellas y galaxias individuales dentro de los mismos. También sabemos que debe estar hecha de partículas masivas y que sólo interactúan muy débilmente con sus alrededores. Cualquier cosa que encaje con esta descripción se conoce como partículas masiva de interacción débil (WIMP).

Encontrar estas WIMPs es más fácil de decir que de hacer, dado que los científicos usan métodos indirectos para buscarlos. Allí donde se acumulen en grandes números, deberían colisionar y destruirse entre sí, dejando tras de sí partículas tales como electrones, protones, positrones y antiprotones. Esto puede confundir la búsqueda de materia oscura, dado que se producen las mismas partículas que cuando impactan rayos cósmicos en el polvo interestelar.

Tomemos el Espectrómetro Magnético Alfa (AMS), que voló en la lanzadera espacial Discovery de la NASA en 1998. Detectó más positrones en el espacio de lo esperado para los rayos cósmicos. Lo mismo hizo el Telescopio de Antimateria de Alta Enertía (HEAT), el cual fue elevado por globos en 1994, 1995 y 2000. “Pero sus márgenes de error no eran lo bastante buenos para saber si había algo interesante o no”, dice el físico Neal Weiner de la Universidad de Nueva York.

Ahora con ATIC y PAMELA confirmando el exceso, los resultados no pueden descartarse por más tiempo. Los astrofísicos hasta el momento han tenido problemas para explicar este exceso de electrones y positrones. Si fallan, entonces la fuente más probable es la aniquilación de WIMPs, cada una con una masa de entre 600 a 1000 veces la del protón.

Apasionante hasta el momento. Pero los investigadores han encontrado problemas al intentar identificar qué tipo de partículas podrían ser las WIMPs. Desde la década de 1980, el candidato favorito ha sido una partícula estable conocida como neutralino, la cual surgió de lo intentos de reparar el Modelo Estándar de la física de partículas. Esta partícula teórica es lo bastante masiva, interactúa débilmente con la materia normal y, lo que es más importante, su densidad en los inicios del universo habría sido justo la adecuada para darnos la materia oscura que tenemos hoy.

No obstante, los resultados de ATIC y PAMELA colocan estrictas restricciones a la naturaleza de la materia oscura, lo que pone las cosas difíciles para que la aniquilación de neutralinos sea la respuesta. De acuerdo con nuestra mejor comprensión de los neutralinos, deberían producir unos pocos electrones con energías altas y muchos más con energías bajas. ATIC ha encontrado lo contrario. No sólo eso, sino que la aniquilación debería también generar antiprotones, algo de lo que PAMELA no ha tenido ninguna prueba. “Los neutralinos simplemente hacen un pésimo trabajo con este conjunto de datos”, dice Weiner.

Dado este golpe contra los neutralinos, muchos, incluyendo el equipo de ATIC, se inclinan hacia otra candidato: algo llamado partículas de Kaluza-Klein particles (Nature, vol 456, p 362). Éstas surgen en teorías de la década de 1930 que intentaban unificar la gravedad con el electromagnetismo proponiendo la presencia de una dimensión extra del espacio.

De acuerdo con estas teorías, las partículas conocidas tales como los electrones pueden entrar en esta pequeña dimensión extra oculta donde pueden moverse a distintas velocidades. La energía del movimiento en la dimensión extra se manifiesta como masa en nuestro mundo. Por lo que un electrón moviéndose en una dimensión superior nos aparecería como un electrón de Kaluza-Klein mucho más pesado, excepto que la detección directa es imposible. Estas partículas pesadas son de vida corta y decaen en variedades más ligeras tales como los neutralinos, que son más estables y tienen las propiedades adecuadas para ser la materia oscura.

Las partículas de Kaluza-Klein más ligeras impactan entre sí y si aniquilan, su masa se transforma en partículas de carga opuesta como electrones y positrones, y muones y antimuones, cuya energía encaja con los resultados de ATIC y PAMELA. Es más, las partículas de Kaluza-Klein se espera que produzcan menos antiprotones que los neutralinos lo cual, de nuevo, encaja con los experimentos recientes. “Lo que me gusta de la partícula de Kaluza-Klein es que no se inventó para explicar la materia oscura”, dice Hooper.

Si los investigadores pueden demostrar la existencia de las partículas de Kaluza-Klein, confirmarían las teorías que dicen que hay más dimensiones espaciales aparte de izquierda-derecha, arriba-abajo, y adelante-atrás que conocemos.

No obstante, la materia oscura caída del cielo podría decirnos que el universo es incluso más extraño de los que sospechábamos. Los investigadores han vuelto a tener otros anómalos avistamientos, incluyendo observaciones del satélite INTEGRAL de rayos gamma lanzado por la Agencia Espacial Europea en 2002.

INTEGRAL detectó emisiones muy brillantes de fotones precisamente con 511 kiloelectronvoltios (keV) de energía en la Vía Láctea. Se esperaría encontrar tales fotones cuando electrones y positrones se aniquilan entre sí. “La pregunta es, ¿cuántos positrones hay allí, y de dónde han salido?”, dice Weiner. “Su distribución no se parece a lo que se esperaría de fuentes astrofísicas”, tales como supernovas o microquásares.

Entonces, ¿también procedían estas emisiones de la materia oscura? En 2007, Weiner y Doug Finkbeiner de la Universidad de Harvard abordaron los resultados de INTEGRAL. Calcularon que si las WIMPs podían entrar en un estado excitado cuando se estrellaban entre sí, entonces podrían emitir fotones de 511 keV cuando volvían a asentarse en sus estados base.

Pero para hacer este trabajo, Weiner y Finkbeiner tuvieron que suponer que las WIMPs interactuaban a través de una nueva fuerza. Las fuerzas cotidianas como el electromagnetismo se transmiten a través de partículas portadoras de fuerzas que se lanzan entre partículas cargadas. De la misma forma, Weiner y Finkbeiner calcularon que la nueva fuerza necesita una partícula hipotética que pesa aproximadamente lo mismo que un protón y que va y viene sólo entre WIMPs (Physical Review D, vol 76, p 083519). Esto significa que el Modelo Estándar de partículas no siente esta fuerza. La materia oscura, parece, podría pertenecer a un sector oculto del universo.

Los sectores ocultos han sido estudiados por Matthew Strassler de la Universidad Rutgers en Piscataway, Nueva Jersey, y Kathryn Zurek del Fermilab. “Cuando hablamos de mundos ocultos, lo que estamos diciendo es que podría haber un sector igual de complejo que el sector visible, pero que está escudado debido a que la forma en que se comunica con los electrones, núcleos y materia ordinaria es muy débil”, dice Zurek.

Existen pistas de que tales sectores ocultos podrían ser el origen de la materia oscura.. Salió a la luz cuando el pasado octubre Weiner y Finkbeiner se unieron a los teóricos Nima Arkani-Hamed del Instituto para Estudios Avanzados en Princeton y Tracy Slatyer de la Universidad de Harvard.

Cuando Weiner y Finkbeiner propusieron por primera vez las fuerzas oscuras para explicar la anomalía de INTEGRAL, su idea fue tomada con un educado escepticismo. Entonces llegaron los resultados de ATIC y PAMELA. Para reconciliar todos estos hallazgos, el equipo revisitó la idea y, para su asombro, encontró que la nueva fuerza resulta más que útil, uniendo a los WIMPs e incrementando la probabilidad de que colisionen y se aniquilen.

Resulta que esta fuerza oscura aumenta el índice de aniquilación de los WIMPs de movimiento bajo entre dos y tres órdenes de magnitud, como se requiere para explicar los resultados de ATIC y PAMELA. Aún así no tiene efecto en las partículas mucho m-más rápidas que llenaban los inicios del universo. Todo esto indica que debería haber una gran cantidad de WIMPs actualmente que deberíamos ser capaces de ver cómo se aniquilan entre sí.

Los cálculos de Arkani-Hamed y sus colegas también demuestran que cuando los WIMPs se aniquilan pueden producir los portadores de fuerza oscura. Debido a que estas nuevas partículas pesan aproximadamente lo mismo que un protón, son demasiado ligeras para decaer en protones y antiprotones. Por lo que en lugar de esto decaen en los más ligeros electrones y positrones.

Weiner dice que su equipo estaba entusiasmado con los hallazgos debido a que lo mismo que aumentaba el número de aniquilaciones es lo que ofrece el exceso de electrones y positrones – sin antiprotones. En una breve pasado, su “teoría unificada”, describe los resultados de ATIC, PAMELA e INTEGRAL (Physical Review D, vol 79, p 014015).

También resuelve otro misterio de la materia oscura. En abril de 2008, un equipo que buscaba materia oscura en las profundidades de la Montaña Gran Sasso en Italia informó de un incremento en la energía de las partículas que impactaban en los detectores cada junio en comparación con los de diciembre a lo largo de un periodo de 11 años. La colaboración DAMA/LIBRA atribuye sus hallazgos al movimiento de la Tierra a lo largo de un mar de WIMPs que rodea la Vía Láctea.

Pero ninguno de los otros experimentos que buscan impactos directos de materia oscura, tales como el detector CDMS en el Laboratorio Subterráneo Soudan en Minnesota, han visto nada. Debido a esto, la mayor parte de los físicos descartan los hallazgos de DAMA/LIBRA.

Entonces, ¿qué resultados son los correctos? Ambos, dice Weiner, quien afirma que la teoría unificada puede explicar la discrepancia entre los resultados de DAMA/LIBRA y CDMS. La visión tradicional de la materia oscura prevé partículas del mismo tipo con sus núcleos rebotando como bolas de billar. El equipo de CDMS supone que esto es lo que sucederá en el interior del detector. Pero si la materia oscura es más compleja, como afirma el equipo de Weiner, entonces las colisiones con núcleos pueden en lugar de esto crear estados excitados de la materia oscura.

Este escenario favorece a los detectores que usan materiales con núcleos más pesados. DAMA/LIBRA contiene yodo, el cual es considerablemente más pesado que el germanio y el silicio dentro del CDMS, y por tanto es más probable que DAMA/LIBRA detecte materia oscura, dice Weiner.
Hooper está impresionado con el trabajo, aunque se mantiene escéptico. “Lo más atractivo de este modelo es que mata varios pájaros de un tiro”, dice. “Pero es un tiro diseñado muy cuidadosamente para matar a todos esos pájaros”.

Weiner es más optimista. “Los físicos siempre están intentando encontrar una única explicación para múltiples fenómenos”, dice. “Ciertamente esto no garantiza que la idea sea correcta, pero algunos tipos de teorías tienden a querer trabajar, y esta teoría parece que quiere funcionar”.

Aunque esta teoría unificada ha atraído una tremenda atención desde que se publicó, aún hay obstáculos. De ser correcta, la alta densidad de la materia oscura en el centro de la galaxia indica que debería haber una gran aniquilación ahí – y grandes cantidades de electrones y positrones. Esperaríamos ver estas partículas cargadas yendo en espiral alrededor de campos magnéticos, produciendo un pronunciado exceso de radiación de sincrotrón. “Y no vemos eso”, dice Lars Bergström, físico de la Universidad de Estocolmo en Suecia, que ha examinado medidas detalladas de radiotelescopios cerca del centro de la Vía Láctea. Entonces, ¿cómo decir qué es correcto y qué no?

Otros experimentos ayudarán. Uno es el satélite Fermi de la NASA, lanzado el año pasado, que podría confirmar con un alto grado de precisión el exceso de electrones a lo largo de un amplio rango de energía. Si los WIMPs verdaderamente son 600 veces más masivos que los protones, se esperaría ver una abrupta caída en el número de electrones por encima de cierto umbral de energía. El detector HESS en Namibia, el cual mide los fotones emitidos por electrones de alta energía que impactan en la atmósfera, debería también ser sensible a esta caída. Si detecta tal cosa, sería una contundente señal que no puede ser producida por otra fuente astrofísica.

Fermi también será capaz de ver rayos gamma producidos cuando se aniquilan los WIMPs. Las energías de estos rayos deberían diferencias los estados de Kaluza-Klein de los neutralinos. Fermi incluso será capaz de señalar las zonas delo cielo de donde proceden los rayos gamma. Si detecta un cúmulo, o cúmulos, grande y cercano, los neutralinos volverán a su posición de favoritos dado que las afirmaciones contra ellos suponen que la materia oscura está distribuida equitativamente a lo largo del halo galáctico.

Sin embargo, podría ser que las pruebas que sellen el caso estén más cerca de casa. Pauline Gagnon, físico experimental que trabaja en el laboratorio de física de partículas del CERN cerca de Ginebra en Suiza, está hablando con para verificar su teoría unificada. Los cálculos preliminares sugieren que el Gran Colisionador de Hadrones podría producir el nuevo portador de fuerza, el cual finalmente decaería en un electrón y un positrón. Gagnon está trabajando junto con otros para ver cómo se verían estas señales en el experimento gigante ATLAS.

Todas las esperanzas están puestas en que Fermi encuentre pistas indirectas sobre la naturaleza de la materia oscura. “Si encontramos que las partículas con el mismo tipo de masa y propiedades se crean en el LHC, creo que hasta el último escéptico concedería que esto es lo que estábamos buscando en el universo”, dice Hooper.