¿Y si la materia oscura estuviera hecha de partículas ultraligeras y casi imposibles de detectar?

El nuevo planteamiento supone todo un «balón de oxígeno» que proporciona nuevas esperanzas a los numerosos grupos de investigación de todo el mundo que tratan de descifrar el misterio de la materia oscura . De hecho, después de innumerables intentos, la comunidad científica sigue sin saber de qué puede estar hecha esa materia tan diferente de la convencional. El trabajo se acaba de publicar en Journal of Cosmology and Atroparticle Physics .

La cuestión de qué clase de partículas forman la materia oscura resulta crucial para la física moderna. Hace apenas unos años, la comunidad internacional de investigadores estaba convencida de que, fuera lo que fuese, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el mayor acelerador de partículas del planeta, lo descubriría. Pero no ha sido así, y la consecuencia fue que hubo que, literalmente, tirar a la basura toda una serie de hipótesis generales sobre la naturaleza de la materia oscura, de la que sabemos que es cinco veces más abundante que la materia convencional de la que están hechos todos los planetas, estrellas y galaxias que podemos ver.

Hay muchos indicios de que la materia oscura existe realmente, aunque todo indica que está hecha de «algo más» que de las partículas que recoge el Modelo Estándar, la gran teoría que reúne todas las «piezas» que forman la materia (la ordinaria) y las leyes que la gobiernan. Por lo tanto, y ante esta descorazonadora ausencia de progresos , los físicos se están viendo obligados a considerar «otras opciones», a menudo mucho más complejas.

La opinión más generalizada a este respecto es que es necesario «extender» el Modelo Estándar para que incluya, también, a otras otras partículas hoy por hoy desconocidas. Lo malo es que el rango de masa de esas hipotéticas partículas es enorme. De hecho, entre la más ligera y la más pesada de las propuestas hasta ahora hay una diferencia de... ¡40 órdenes de magnitud!

Uno de los modelos teóticos existentes sostiene que la materia oscura estaría compuesta de partículas ultraligeras. Lo cual ofrecería una explicación coherente para muchas observaciones astronómicas. Sin embargo, tales partículas serían tan livianas que apenas si interactuarían con la luz y con la materia convencional, lo que las haría tremendamente difíciles de estudiar. De hecho, con los medios actuales es prácticamente imposible detectar una de estas partículas en laboratorio, motivo por el cual los investigadores tratan de localizarlas en el espacio.

«Estamos hablando de partículas de materia oscura que serían hasta 28 órdenes de magnitud más ligeras que el electrón –asegura Sergey Troitsky, coautor del artículo e investigador jefe en el Instituto de Investigación Nuclear de la Academia de Ciencias de Rusia–. Esta noción es sumamente importante para el modelo que decidimos probar. La interacción gravitacional es lo que traiciona la presencia de materia oscura. Si explicamos toda la masa de materia oscura observada en términos de partículas ultraligeras significaría que hay una cantidad tremenda de ellas . Pero con partículas tan ligeras como éstas, surge la pregunta: ¿Cómo las protegemos para que no adquieran una masa efectiva debido a las correcciones cuánticas? Una posible respuesta sería que esas partículas interactúan débilmente con los fotones, es decir, con la radiación electromagnética. Lo cual ofrece una forma mucho más fácil de estudiarlas : observando directamente la radiación electromagnética en el espacio».

Cuando el número de partículas es tan alto, resulta difícil tratarlas como partículas individuales y resulta mucho más práctico considerarlas como un campo de cierta densidad que impregna el Universo. Ese campo oscila coherentemente sobre regiones que tienen tamaños de unos 100 parsecs, o lo que es lo mismo, cerca de 325 años luz.

Lo que determina el período de oscilación es la masa de las partículas. Si el modelo considerado por los autores es correcto, ese período debería ser de aproximadamente un año. Cuando la radiación polarizada pasa a través de ese campo, el plano de polarización de la radiación oscila con el mismo período.

La cuestión es que si realmente ocurren cambios periódicos como los descritos, esos cambios pueden detectarse durante las observaciones astronómicas . Además, la duración del período (un año terrestre) resulta muy conveniente, ya que se observan muchos objetos astronómicos durante varios años, lo cual sería un tiempo más que suficiente para que los cambios en la polarización se manifiesten.

Para su trabajo, los investigadores decidieron utilizar los datos de radiotelescopios basados en la Tierra, porque vuelven a los mismos objetos astronómicos muchas veces durante un mismo ciclo de observación. Dichos telescopios pueden observar núcleos galácticos activos remotos , regiones de plasma sobrecalentado cerca de los centros de las galaxias. Y esas regiones emiten radiación altamente polarizada. Al observarlos, por lo tanto, es posible seguir el cambio en el ángulo de polarización durante varios años.

«Al principio –explica Troitsky– parecía que las señales de los objetos astronómicos individuales mostraban oscilaciones sinusoidales. Pero el problema era que el período sinusoidal tenía que estar determinado por la masa de partículas de materia oscura, lo que significa que debe ser el mismo para todos los objetos. Había 30 objetos en nuestra muestra. Y puede ser que algunos de ellos oscilaran debido a su propia física interna, pero de todos modos, los períodos nunca fueron los mismos. Lo que significa que la interacción de nuestras partículas ultraligeras con la radiación podría estar restringida. No estamos diciendo que tales partículas no existan, pero hemos demostrado que no interactúan con los fotones , lo que restringe los modelos disponibles que describen la composición. de la materia oscura».

«Imagínese lo emocionante que fue eso –dice por su parte Yuri Kovalev, coautor del artículo y director de estudios y laboratorios del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y el Instituto de Física Lebedev de la Academia de Ciencias de Rusia–. Pasas años estudiando los cuásares, cuando un día aparecen los físicos teóricos, y te dicen que los resultados de nuestras mediciones de polarización de alta precisión y alta resolución angular son repentinamente útiles para comprender la naturaleza de la materia oscura».

A partir de ahora, el equipo planea buscar manifestaciones de hipotéticas partículas de materia oscura más pesadas propuestas por otros modelos teóricos. Lo cual requerirá trabajar en diferentes rangos espectrales y usar otras técnicas de observación.

«En este momento –concluye Troitsky– el mundo entero está comprometido en la búsqueda de partículas de materia oscura, que es uno de los grandes misterios de la física. Pero a partir de hoy, ningún modelo será aceptado como favorito, ni considerado mejor desarrollado o más plausible que los demás con respecto a los datos experimentales disponibles. Tenemos que probarlos todos . Desgraciadamente, la materia oscura es "oscura", en el sentido de que casi no interactúa con nada, especialmente con la luz. Aparentemente, en algunos escenarios podría tener un ligero efecto en las ondas de luz que pasan a través suyo. Pero otros escenarios predicen que no hay interacciones entre nuestro mundo y la materia oscura, aparte de las mediadas por la gravedad. Y esto hace que sus partículas sean muy difíciles de encontrar».