Los físicos que buscan la mano invisible que da forma a nuestro universo y las galaxias dentro de él han dirigido su mirada hacia el lado oscuro. Específicamente, un equipo está buscando detrás de cada roca cósmica los llamados fotones oscuros, que podrían transmitir una fuerza de la naturaleza previamente desconocida.
Estos fotones mediarían la interacción entre toda la materia normal y las cosas invisibles llamadas materia oscura.
Pero los científicos han entendido por mucho tiempo que cuatro fuerzas conocidas estiran, tiran, aplastan y desgarran la naturaleza, entonces, ¿cómo podría habernos ocultado otra fuerza durante tanto tiempo? Esas cuatro fuerzas conocidas constituyen la piedra angular de nuestra existencia cotidiana: la fuerza nuclear fuerte tiránica pero de corto alcance, que une los núcleos atómicos; la fuerza nuclear débil oscura y silenciosa, que controla la desintegración radiactiva y habla con las partículas subatómicas llamadas neutrinos; la audaz y brillante fuerza electromagnética, que domina nuestras vidas; y la sutil fuerza gravitacional, con mucho la más débil del cuarteto.
Usando estas cuatro fuerzas fundamentales, los físicos pueden pintar un retrato de nuestros mundos subatómicos y macroscópicos. No hay interacción que no involucre a uno de esos cuatro personajes. Y, sin embargo, todavía abundan los misterios con respecto a las interacciones en nuestro universo, especialmente en las escalas más grandes. Cuando nos alejamos a la escala de las galaxias y más allá, ocurre algo sospechoso y le damos el nombre de materia oscura.
¿Es la materia oscura simple y sin adornos, o esconde una gran cantidad de fuerzas previamente desconocidas en sus garras? Ahora, un equipo internacional de físicos, que describe su trabajo en línea en la revista de preimpresión arXiv, ha utilizado un volcado de datos del Gran Colisionador de Hadrones, el mayor destructor de átomos del mundo, para buscar esa fuerza. Por ahora, su búsqueda ha quedado vacía, lo cual es bueno (más o menos): significa que nuestras leyes físicas conocidas todavía se mantienen. Pero aún no podemos explicar la materia oscura.
Perdido en la oscuridad
La materia oscura es una forma hipotética de materia que se dice que representa alrededor del 80% de la masa total del universo. Es un gran problema. Realmente no sabemos qué es responsable de todas estas cosas invisibles adicionales, pero sabemos que existe, y nuestra mayor pista es la gravedad. Al examinar los movimientos de las estrellas dentro de las galaxias y las galaxias dentro de los cúmulos, junto con la evolución de las estructuras más grandes del cosmos, los astrónomos han llegado a la conclusión casi universal de que hay más de lo que parece el ojo galáctico.
Un mejor nombre para la materia oscura podría ser materia invisible. Si bien podemos inferirlo de su influencia gravitacional (porque nada escapa al ojo que todo lo ve de Albert Einstein), la materia oscura simplemente no interactúa con la luz. Sabemos esto porque si la materia oscura interactuara con la luz (o al menos, si interactuara con la luz como lo hace la materia familiar), ya habríamos visto la misteriosa sustancia. Pero por lo que podemos ver, la materia oscura, cualquiera que sea, no absorbe la luz, no refleja la luz, refracta la luz, dispersa la luz ni emite luz. Para la materia oscura, la luz es simplemente persona non grata; bien podría incluso no existir.
Y, por lo tanto, existe una gran posibilidad de que legiones de partículas de materia oscura estén fluyendo a través de su cuerpo en este momento. La masa combinada de esa corriente sin fin puede dar forma a los destinos de las galaxias a través de la influencia gravitacional, pero pasa a través de la materia normal sin siquiera un saludo. Rude, lo sé, pero eso es materia oscura para ti.
Trayendo la luz
Como no sabemos de qué está hecha la materia oscura, somos libres de inventar todo tipo de escenarios, tanto mundanos como fantasiosos. La imagen más simple de la materia oscura dice que es grande y básica. Sí, constituye la gran mayoría de la masa del universo, pero consta de una sola partícula altamente prolífica que no hace nada más que tener masa. Eso significa que el material puede darse a conocer a través de la gravedad, pero de lo contrario nunca interactúa a través de ninguna de las otras fuerzas. Nunca, nunca veremos un poco de materia oscura haciendo otra cosa.
Los escenarios imaginarios son más divertidos.
Cuando los teóricos se aburren, inventan ideas sobre qué podría ser la materia oscura y, lo que es más importante, cómo podríamos detectarla. El siguiente nivel en la escala de teorías interesantes de la materia oscura dice que la sustancia ocasionalmente puede hablar con la materia normal a través de la fuerza nuclear débil. Esa idea motiva los experimentos y detectores de materia oscura en todo el mundo hoy.
Pero aún así, ese escenario supone que todavía hay solo cuatro fuerzas de la naturaleza. Si la materia oscura es un tipo de partícula nunca antes vista, entonces es perfectamente razonable sugerir (porque no tenemos idea si tenemos razón o no) que viene empaquetada con una fuerza de la naturaleza previamente desconocida, o tal vez una pareja, quién sabe ? Esta fuerza potencial podría permitir que la materia oscura hable solo con la materia oscura, o podría entrelazar la materia oscura y la energía oscura (que tampoco entendemos), o podría abrir un nuevo canal de comunicación entre los sectores normales y oscuros de nuestro universo. .
Ascenso del fotón oscuro
Un portal de comunicación propuesto entre los reinos de la luz y la oscuridad es algo llamado un fotón oscuro, análogo al fotón familiar (claro) de la fuerza electromagnética. No podemos ver, saborear u oler los fotones oscuros directamente, pero pueden mezclarse con nuestro mundo. En este escenario, la materia oscura emite fotones oscuros, que son partículas relativamente masivas. Esto significa que tienen efectos solo en un rango corto, a diferencia de sus contrapartes portadoras de luz. Pero ocasionalmente, un fotón oscuro podría interactuar con un fotón normal, cambiando su energía y trayectoria.
Este sería un evento muy raro; de lo contrario, nos habríamos dado cuenta de que algo funky sucedía con el electromagnetismo hace mucho tiempo.
Por lo tanto, incluso con fotones oscuros, no podríamos ver la materia oscura directamente, pero podríamos detectar la existencia de los fotones oscuros al examinar gotas de interacciones electromagnéticas. En una pequeña fracción de esos gobs, un fotón oscuro podría "robar" energía de un fotón normal al interactuar con él.
Pero como dije, necesitamos muchas interacciones. Sucede que hemos construido máquinas gigantes de ciencia para producir exactamente eso, así que estamos de suerte.
En el artículo de arXiv, los físicos informaron sus resultados después de examinar los datos de tres años del Super Proton Synchrotron, el segundo acelerador de partículas más grande del CERN. Para este experimento, los científicos aplastaron los protones contra el equivalente subatómico de una pared de ladrillos y observaron todas las piezas posteriores.
En los restos, los investigadores encontraron electrones, muchos de ellos. En el transcurso de tres años, los científicos contaron más de 20 mil millones de electrones con energías superiores a 100 GeV. Debido a que los electrones son partículas cargadas y les gusta interactuar entre sí, los electrones de alta energía en este experimento también generaron muchos fotones. Si existen fotones oscuros, a veces deberían interactuar y robar energía de uno de los fotones normales, un fenómeno que se mostraría en el experimento como una falta de luz.
Esta búsqueda de fotones oscuros quedó vacía: todos los fotones normales estaban presentes y se tenían en cuenta, pero eso no descarta por completo la existencia de fotones oscuros. En cambio, pone límites a las propiedades permitidas de estas partículas. Si existen, tendrían poca energía (menos de un GeV, según los resultados del experimento) y solo raramente interactuarían con fotones normales.
Sin embargo, la búsqueda de fotones oscuros continúa, con futuras ejecuciones del experimento establecidas aún más en esta criatura propuesta del mundo subatómico.
Leer más: "Búsqueda de materia oscura en eventos de energía perdida con NA64"
Paul M. Sutter es astrofísico en La universidad de estado de Ohio, gran cantidad de "Pregúntale a un astronauta" y "Radio espacial, "y autor de"Tu lugar en el universo."
