La Materia Oscura Acaba De Tener Murkier

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Un no descubrimiento está causando que los físicos reconsideren cómo piensan sobre la materia oscura, las "cosas" misteriosas que impregnan el universo.

Don Lincoln es un científico principal del Fermilab del Departamento de Energía de los EE. UU., La institución de investigación más grande de los Estados Unidos, Gran Colisionador de Hadrones. También escribe sobre ciencia para el público, incluido su reciente "The Large Hadron Collider: La extraordinaria historia del Higgs Boson y otras cosas que harán volar tu mente"(Johns Hopkins University Press, 2014). Puedes seguirlo enFacebook. Lincoln contribuyó este artículo a WordsSideKick.com's Voces de expertos: Op-Ed & Insights.

Dicen que el amor hace girar al mundo y que eso puede ser cierto. Pero cuando miras las cosas en una escala mucho mayor, digamos el tamaño de las galaxias, el amor no es suficiente. Y, para el caso, tampoco lo son las estrellas de las galaxias. De hecho, lo que hace girar a las galaxias es un tipo de materia que nunca se ha observado directamente. Esa "materia" no descubierta se llama materia oscura, y recientemente se anunció una nueva y sorprendente medida que está causando que el mundo científico reconsidere los pensamientos de larga data.

La contribución más reciente a nuestro conocimiento de la materia oscura fue realizada por la colaboración de Large Underground Xenon (LUX). LUX es un recipiente que consta de un tercio de tonelada de xenón líquido y es el detector de materia oscura más poderoso jamás construido. Ubicado en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford (SURF), este laboratorio de materia oscura se encuentra a casi una milla debajo de Black Hills, cerca de Lead, Dakota del Sur. Está diseñado para detectar ocasionalmente el viento vaporoso de la materia oscura que se cree que fluye a través del sistema solar. [6 Cool Underground Science Labs]

Y la cosa es que no detectó nada. Ese no descubrimiento es lo que hace que los físicos reconsideren cómo piensan sobre la materia oscura.

Sosteniendo galaxias

La materia oscura es una respuesta a un problema de casi un siglo. A principios de la década de 1930, poco después de que los astrónomos se dieran cuenta de que el universo consistía en innumerables galaxias, los científicos centraron su atención en comprender la dinámica de cómo las estrellas orbitaban dentro de las galaxias, esencialmente, cómo rotan las galaxias. El astrónomo holandés Jan Oort aplicó las leyes de movimiento y gravedad de Newton a la materia observada en nuestra propia Vía Láctea y descubrió que nuestra galaxia giraba más rápido de lo que había calculado. Parecía que la Vía Láctea tenía el doble de masa que los astrónomos habían estimado. Por supuesto, esto fue en una era en la que la astronomía galáctica precisa comenzaba a existir y un desacuerdo entre el cálculo y la medición de solo un factor de dos se consideraba un excelente acuerdo.

Una violenta colisión de cúmulos de galaxias formó el cúmulo de galaxias Abell 520. Los mapas de colores falsos superpuestos en la imagen revelan la mayor concentración de masa en el grupo (azul), que los científicos dicen que está dominada por la materia oscura.

Una violenta colisión de cúmulos de galaxias formó el cúmulo de galaxias Abell 520. Los mapas de colores falsos superpuestos en la imagen revelan la mayor concentración de masa en el grupo (azul), que los científicos dicen que está dominada por la materia oscura.

Crédito: ASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (Universidad de California, Davis) y A. Mahdavi (Universidad Estatal de San Francisco)

Sin embargo, poco después de la medición de Oort, el astrónomo búlgaro-suizo Fritz Zwicky estaba estudiando el Coma Cluster, un gran grupo de más de mil galaxias que estaban unidas por su gravedad mutua en una estructura enorme. Cuando midió la velocidad de las galaxias, descubrió que también ellas se estaban moviendo demasiado rápido para que el suave tirón de la gravedad las mantuviera unidas. Por todos los derechos, el grupo debería haberse desgarrado. Pero no fue así. Calculó que el cúmulo contenía 400 veces más materia de lo que podían ver los telescopios ordinarios. Las mediciones modernas han reducido ese número, pero aún se cree que la discrepancia es un factor de 100. Zwicky propuso que había un tipo de materia invisible que mantenía unido el grupo que denominó "Materia Dunkle", o materia oscura. [Charla TED-Ex: ¿Cómo explica la materia oscura la velocidad de una estrella?]

En la década de 1970, la astrónoma Vera Rubin estaba tratando de encontrar un tema no controversial para estudiar cuando dirigió su atención a las curvas de rotación de las galaxias. Esta es una medida de la velocidad orbital de las estrellas en galaxias en función de su distancia desde el centro. Encontró que las mediciones coincidían con las predicciones en el centro de la galaxia e incluso se acercaban a la periferia. Pero, en las afueras de la galaxia, las estrellas orbitaron mucho más rápido de lo que podían acomodarse por las leyes conocidas de la física y la materia observada. Parecía que la materia oscura de Zwicky también podría estar apareciendo en los interiores de las galaxias. (Claramente, Rubin falló de manera épica en su intento de encontrar un tema que no sea controversial).

A lo largo de las décadas, se han propuesto varias ideas para explicar una amplia gama de misterios astronómicos, desde la posibilidad de que las leyes del movimiento de Newton no se apliquen cuando las aceleraciones se vuelven pequeñas, hasta la idea de que tanto Newton como Einstein estaban equivocados acerca de la gravedad. Estas hipótesis no han sobrevivido a rigurosas pruebas. Otra idea fue que tal vez existen tipos de materia en el universo que no emiten energía electromagnética... esta era la materia oscura de Zwicky.

Pero, incluso aquí, había muchas posibilidades. La opción más plausible era que el universo fuera el hogar de una colección de agujeros negros, enanas marrones, planetas rebeldes y otros objetos oscuros que consistían en el mismo tipo de materia ordinaria que constituye el componente visible del universo. Estos objetos son masivos, compactos y lo suficientemente fríos que no emiten luz como las estrellas. Se encontraron algunos objetos como estos, pero no lo suficiente para resolver el misterio. Y así, las encuestas astronómicas en la década de 1990 descartaron completamente esta idea, también. Tomando una página de Sherlock Holmes en "The Sign of Four", en la que dijo: "Cuando ha descartado lo imposible, lo que queda, por improbable que sea, debe ser la verdad", los científicos se han visto obligados a concluir que una nueva forma De la materia oscura invisible impregna el universo. Quizás aún más sorprendente, parece haber cinco veces más materia oscura que materia ordinaria.

Las propiedades de la materia oscura.

Nunca hemos observado directamente la materia oscura, pero sabemos mucho sobre lo que debe ser: debe ser masiva (porque afecta la rotación de las galaxias); debe ser eléctricamente neutral (porque no podemos verlo); debe ser diferente de la materia ordinaria (porque no vemos evidencia de que interactúe con la materia de la manera habitual); y debe ser estable (porque ha existido desde los albores del universo). Estas propiedades son inequívocas.

Sin embargo, no sabemos exactamente qué es. En la teoría genérica más popular, la partícula de materia oscura se llama WIMP, por ser una partícula masiva de interacción débil. Los WIMPs son como neutrones pesados ​​(pero definitivamente no neutrones), con una masa de 10 a 100 veces más pesada que un protón. Fueron creados en grandes cantidades durante el Big Bang y un pequeño resto de reliquia persiste hasta nuestros días.

Cuando los cosmólogos agregan la idea WIMP a sus ideas del Big Bang, pueden calcular cómo interactuaría. Encuentran que en las primeras etapas del universo, los WIMP eran una forma dominante de la materia, pero, a medida que el universo se expande y se enfría y la tasa de interacción se reduce a cero, la cantidad de reliquias de los WIMP es aproximadamente cinco veces más masiva que la materia ordinaria. Combinado con el hecho de que la idea WIMP también puede explicar un misterio teórico apremiante de por qué la partícula del bosón de Higgs tiene una masa tan pequeña, los científicos llaman a esto el "milagro WIMP", en vista del hecho de que la idea WIMP parece responder a tantas preguntas

Un oscuro no descubrimiento.

Así que esto nos lleva de nuevo al experimento LUX. Es simplemente el último y más poderoso experimento diseñado para detectar WIMPs. La idea es que el detector permanecerá bajo tierra durante mucho tiempo, digamos un año o más, y un WIMP poco común chocará contra un átomo de xenón y será detectado. (El detector está enterrado bajo tierra para protegerlo de los rayos cósmicos, que chocan contra los átomos de xenón y simulan una detección de materia oscura. Estando a media o una milla bajo tierra detiene casi todos los rayos cósmicos).

El volumen anterior, que forma parte de la colaboración del Gran Xenón Subterráneo, se llenará con xenón líquido y se podrá detectar cualquier interacción con el xenón, lo que posiblemente revele la identidad de la materia oscura.

El volumen anterior, que forma parte de la colaboración del Gran Xenón Subterráneo, se llenará con xenón líquido y se podrá detectar cualquier interacción con el xenón, lo que posiblemente revele la identidad de la materia oscura.

Crédito: Foto por C.H. Faham

El 27 de agosto, los investigadores de LUX anunciaron sus resultados. No vieron evidencia de WIMPs de materia oscura.

Así que eso no es realmente tan sorprendente. Ha habido docenas de experimentos que han buscado materia oscura y no han encontrado nada. En este sentido, LUX se ha unido a un grupo venerable. Pero LUX también es mucho más capaz. Se esperaba que tuviera más posibilidades de encontrar WIMP que cualquier otro aparato.

Pero no fue así.

Entonces, ¿eso significa que la idea de WIMP está muerta? No en realidad no. Los detectores de materia oscura están optimizados para ser más sensibles a ciertas masas, algo así como la forma en que un micrófono en particular puede captar las voces del tenor mejor que las de los soprano o los bajos. LUX fue optimizado para encontrar un WIMP con una masa de unas decenas de veces más pesado que un protón. De hecho, descartó que un WIMP tenga una masa 50 veces mayor que un protón con un rechazo impresionante. Sin embargo, LUX no lo hace tan bien en la detección de WIMP con una masa inferior a 10 veces la de un protón. Y, si los WIMP existen y tienen una masa de 1.000 veces más pesada que un protón, este tampoco es el rango óptimo de investigación de LUX. Así que sigue existiendo un rango de masas donde podría existir un WIMP.

Axiones, vida oscura y carga oscura.

Aun así, los WIMP eran simplemente la idea más popular para la materia oscura. Hay otras hipótesis. Una hipótesis apunta a una partícula llamada neutrino estéril, que es un primo del neutrino más familiar generado en las reacciones nucleares. De hecho, los neutrinos del mayor reactor nuclear cercano (el sol) están constantemente bombardeando la Tierra. A diferencia de los neutrinos regulares, que son ultraligeros e interactúan a través de la fuerza nuclear débil, los neutrinos estériles son pesados ​​y no experimentan la fuerza débil. Es la masa pesada y las cualidades que no interactúan lo que hace al neutrino estéril un candidato ideal para la materia oscura.

Otra posible partícula de materia oscura, el axión, se propuso en 1977 como una forma de asegurar que la fuerza nuclear fuerte tratara la materia y la antimateria en igualdad de condiciones (de acuerdo con las observaciones). El axión es una partícula hipotética muy ligera, pero aún masiva. El detector LUX no está diseñado para estudiar axiones.

Luego, por supuesto, existe una hipótesis aún más creativa, que sugiere que la materia oscura no es una partícula única, neutral y que no interactúe. Después de todo, la materia ordinaria es bastante complicada. En la escala cuántica, tenemos quarks y leptones y cuatro fuerzas. En la escala macro, tenemos tú y yo y azúcar y estrellas y volcanes y todas las formas en que interactúan. La materia ordinaria tiene todo tipo de interacciones y constituyentes. ¿Por qué no la materia oscura? [7 hechos extraños sobre los quarks]

Bajo esta hipótesis, la materia oscura podría tener una "carga oscura", o la forma de carga eléctrica de la materia oscura. De la misma manera que la materia oscura no experimenta carga oscura, tal vez la materia ordinaria no experimenta carga oscura. Esta carga oscura interactuaría con los fotones oscuros, o los gemelos oscuros de partículas de luz ordinarias.

Y, aún más atrevido, tal vez la materia oscura experimenta muchas fuerzas y existe todo un complejo sector oscuro, con átomos oscuros y moléculas oscuras e incluso vida oscura. Podemos establecer restricciones en estas posibles interacciones oscuras; por ejemplo, sabemos lo suficiente como para descartar estrellas oscuras y planetas, pero los asteroides oscuros son posibles. Nuevamente, LUX guarda silencio sobre estas nuevas ideas.

No es justo decir que la medición LUX conduce a una crisis en la física de partículas y la cosmología. Pero ciertamente da a los científicos una pausa y sugiere que tal vez deberíamos echar otro vistazo a esta cosa WIMP. Tal vez otras ideas necesitan ser revisadas. Por otro lado, los científicos que desean continuar con la idea de WIMP todavía tienen algo que esperar a medida que avanza la tecnología. LUX usa un tercio de una tonelada de xenón líquido. En 10 o 15 años, los científicos planean construir detectores que podrían contener 100 toneladas, lo que brinda aún más posibilidades de capturar esa rara interacción WIMP. Estos son tiempos emocionantes para ser un científico de la materia oscura.

Pero, al final, todavía no sabemos. Solo sabemos que las capacidades de LUX son lo suficientemente buenas como para que tal vez sea el momento de ampliar nuestro pensamiento. En palabras de la banda de rock Buffalo Springfield, "Algo está sucediendo aquí. Lo que no está exactamente claro..."

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