lunes, 16 de marzo de 2015

La materia oscura del Universo: avances en su definición

El Gran Colisionador de Hadrones busca comprender la materia oscura

Abc. 14/03/2015

Hoy en "La ventana" nos asomamos al misterio de la materia oscura, que constituye un elevado porcentaje de la materia presente en el Universo aunque no podamos verla. Un equipo de científicos españoles se halla inmerso en la búsqueda de su naturaleza en el Consejo Europeo para la Investigación Nuclear (CERN). Presentan los primeros datos sobre ello.




La materia oscura

La materia oscura constituye una gran parte de la materia existente en el Universo. Su acepción de "oscura" se explica porque no es capaz de emitir ni absorber ningún tipo de radiación (en ninguna longitud de onda). Entonces, si no podemos "verla" de ninguna forma, ¿por qué sabemos que existe? Básicamente, por huellas indirectas que permiten inferir su existencia.

Dentro de las primeras evidencias se encuentra el hallazgo de Jan Oort en 1932, quien comprendió que las estrellas de nuestra galaxia, la Vía Láctea, se movían mas rápido de lo que deberían. Para conseguir este movimiento, la masa "real" de nuestra galaxia tendría que ser el doble de la que estamos viendo

Veamos otro ejemplo de desequilibrio en las ecuaciones, ilustrado por la siguiente imagen:




En algunos cúmulos de galaxias pueden observarse grandes cantidades de gas caliente retenido en su borde. Teniendo en cuenta la masa que vemos, solamente podría retenerse el 10% del gas presente por efecto de la gravedad. Es decir, el cúmulo no tendría capacidad gravitatoria para retener el medio gaseoso. Es lo que ocurre con la Luna, incapaz por su tamaño de retener una atmósfera en su superficie. ¿Qué es entonces lo que aumenta la atracción gravitatoria del cúmulo de galaxias?

Otro ejemplo: Albert Einstein ya predijo con su Teoría de la Relatividad General las lentes gravitacionales. Cuando la luz emitida por fuentes procedentes de objetos distantes como quásares pasa junto a objetos masivos como un agujero negro, se curva a su alrededor. Si nosotros nos encontramos mirando y el objeto masivo se halla entre nuestro telescopio y la fuente de luz distante, veremos esta curvatura de la luz o lente gravitacional. La formación de estas curvaturas de la luz sirve para rastrear la materia oscura, la cual es capaz de generar las discontinuidades gravitacionales para provocar efectos como el descrito. Esta imagen del telescopio espacial Hubble muestra diferentes efectos de lentes gravitacionales formadas por el clúster de galaxias Abell 1689. Pueden apreciarse los arcos de galaxias distantes.





Finalmente, también se esgrime como prueba de la existencia de materia oscura el hecho de la inusual velocidad orbital de algunas galaxias. Nuevamente, el componente visible revela masas que moverían gravitacionalmente las galaxias en unas órbitas que no se corresponden con la realidad. Esta deformación en los movimientos orbitales se explica con la existencia de una materia que no podemos ver, pero que está ahí presente, y que genera el ajuste en las ecuaciones que permite entender el comportamiento de ciertos objetos celestes. 

Lo curioso de todo esto es que la materia que vemos solo representa el 5% del Universo, mientras que un 25% es materia oscura y el 70% energía oscura. La reflexión es inevitable: creemos conocer un Universo cuando apenas somos capaces de percibirlo directamente. Sobre la recientemente descrita energía oscura hablaremos más adelante en próximos artículos. Y os advertimos que no tiene nada que ver con Star Wars.



¿Cómo podemos entonces saber qué es la materia oscura?

Una vez que se tuvo la certeza teórica de que la materia oscura era una realidad, se intentó dar con el elemento que la constituía. Podría tratarse de un elemento convencional, aunque no pudiera verse, o bien de una materia no conocida hasta la fecha. Candidatos ha habido, y muchos, como los neutrinos o los restos de antiguas estrellas. La última aportación ha llegado de la mano de investigadores del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE, un consorcio de la Generalitat de Cataluña y la Universidad Autónoma de Barcelona). Han empleado datos del experimento ATLAS que busca materia oscura en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Las partículas propuestas para formar materia oscura han sido denominadas WIMP, sigla en inglés de Weakly Interacting Massive Particles o partículas masivas que interactúan débilmente y que no emiten radiación electromagnética.

La única manera de detectarlas es percibiendo el impacto de una de ellas sobre el núcleo de un átomo o de una partícula cuántica, aunque como la sección eficaz de estos impactos es muy pequeña, la probabilidad de que ocurra dicho impacto es altamente improbable. El sitio escogido para tal experimento y, probablemente, el único posible fue el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), tan de moda en los últimos tiempos (os recomendamos el artículos de "La ventana" sobre el Bosón de Higgs).

Los físicos han intentado identificar la presencia de las WIMP cuando se producen acompañados por otras partículas energéticas, por ejemplo gluones (partículas mediadoras de la fuerza fuerte, una de las interacciones fundamentales en la naturaleza). Estos sucesos se observan en el detector como señales muy limpias con un solo chorro de partículas (proveniente del gluón), también llamados "monojets". Miembros del IFAE dentro de un grupo de científicos del proyecto ATLAS han rastreado materia oscura a partir de los datos originados desde 2012 en el colisionador. 

Los primeros resultados han sido negativos. Según Mario Martínez, investigador del grupo ATLAS: "Aunque de momento se no han obtenido señales de materia oscura, el análisis de monojets es uno de los más prometedores para el segundo ciclo de funcionamiento del LHC (Run 2) a punto de comenzar, donde los científicos españoles juegan un papel central". En efecto, el colisionador ha estado inactivo durante unos años, aunque pronto comenzará una nueva andadura. Se espera que para mayo de 2015 esté a pleno rendimiento. Quizá  los nuevos datos permitan por fin identificar las WIMP y el gran misterio de la materia oscura se haga "visible" a nuestros ojos. 

La física María Chamizo opina sobre la reanudación del CERN: "Para nosotros es una inmensa emoción que el acelerador vuelva a funcionar después de dos años en los que se han hecho muchos trabajos para mejorarlo y aumentar la energía de las colisiones... y saber que a lo mejor vamos a encontrar nuevas cosas".

Esperemos poder contaros pronto la noticia de un gran hallazgo.


Imagen: www.astroseti.org

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