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En busca de la materia oscura

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En busca de la materia oscura

Área: Física — Lunes, 26 de Enero de 2009
Con diversas aproximaciones se trata de detectar directamente materia oscura.
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Esquema de sensibilidad de X-MASS respecto a otros detectores. Foto: X-MASS.
La materia oscura es cinco veces más abundante que la materia normal en el Universo. Sin embargo, continúa siendo enigmática y elusiva.
Los candidatos más probables a constituir la materia oscura son los axiones y las WIMPS (que incluye a los neutralinos, una partícula supersimétrica), que habrían sido todas ellas generadas en el Big Bang. Los neutralinos han ganado adeptos últimamente, tendrían una masa de entre 10 ó 1000 veces la del protón e interactuarían con un sección eficaz característica (la sección eficaz da una idea de la facilidad de interacción entre dos partículas en caso de colisión) de la escala de la interacción débil.
De momento las únicas pruebas serias que hablan de la existencia de la materia oscura son pruebas astronómicas de escala galáctica en donde parece verse su influencia gravitatoria, pero la cosa parece que ha empezado a cambiar.
Quizás, dice un experto, podamos en nuestro sistema solar para ver esos mismos efectos. Según Stephen Adler del Institute for Advanced Study en Princeton, habría que prestar especialmente atención al sistema Luna-Tierra. Si la masa del conjunto Tierra-Luna es mayor que la suma de las masas de la Luna y de la Tierra por separado, entonces el efecto se podría atribuir a un halo de materia oscura.
Gracias al sistema de satélites LAGEOS, que han estado orbitando la Tierra durante años, se puede calcular la masa de la misma con extrema precisión. Se hace rebotar unos rayos láser sobre estos satélites y así se consigue medir la distancia e inferir por tanto la masa. La masa de la Luna se puede averiguar, a falta de un sistema equivalente, con los orbitadores que den vueltas a su alrededor.
Finalmente la distancia entre la Tierra y la luna se puede calcular gracias a los reflectores láser dejados allí durante las misiones Apolo.
Basándose en los datos recogidos por estos sistemas Adler publicó unos resultados en Journal of Physics A. En el artículo calcula que, al menos, hay 24 billones de toneladas de materia oscura entre la Tierra y la Luna. Este halo de materia oscura podría explicar, además, ciertas anomalías en las órbitas de las sondas que la NASA ha enviado en misiones de exploración lejanas de larga duración como la Pioneer.
También especula que en el caso de los planetas jovianos, su fuerte campo gravitatorio habría tirado de las partículas de materia oscura y algunas de ellas habrían interaccionado con la materia normal de la que están hechos, calentándose en el proceso. Un exceso de calor en estos cuerpos sería ora prueba más de la existencia de esta materia oscura. Según él, Urano es anómalamente frío debido a la colisión planetaria que cambió la inclinación de su eje y que habría también barrido el halo de materia oscura. Por otro lado la supuesta aniquilación de partículas y antipartículas de materia oscura atrapadas dentro de cuerpos astronómicos también podría proporcionar calentamiento.
Sin embargo, otros expertos no están de acuerdo con esta nueva teoría. Según algunos de ellos durante la formación del sistema solar se habría eyectado la mayor parte de la materia oscura que pudiera haber.
Adler dice que la presencia de este halo alrededor de la Tierra ayudaría a desmitificar la materia oscura.
Mientras tanto, otros físicos obtienen resultados sobre la caza de partículas de materia oscura utilizando otros sistemas de detección más directos.
Desde hace tiempo se viene especulando con ciertas pruebas recogidas por el satélite PAMELA sobre la aniquilación de partículas de materia oscura supersimétricas y, por tanto, sobre la existencia de materia oscura. Pero los investigadores implicados no han compartido todavía la información que tienen hasta ahora, salvo breves comentarios con alguna diapositiva en algún congreso, y que dieron lugar a cierta polémica sobre la Física del paparazzi. También parece que hay datos sobre el asunto procedentes de los globos sonda del proyecto ATIC. Se espera que el telescopio de rayos gamma Fermi o que el LHC (si alguna vez funciona) aporten datos al respecto en el futuro.
Sin embargo, los experimentos criogénicos en tierra, como los hechos por Blas Cabrera en el pasado, resultaron infructuosos. Se buscaba con ellos el retroceso de algunos átomos a una energía de 10 keV cuando alguna partícula de materia oscura interaccionara con sus núcleos.
Quizás se necesiten sistemas mucho más masivos y precisos que den cuenta de estos raros y débiles eventos y que además puedan ser apantallados de las señales introducidas por los rayos cósmicos y otros ruidos de fondo. Cuanto más masiva es la masa del detector más fácil es detectar uno de estos eventos, pero más ruido se tiene en el sistema.
El experimento CDMS se las ha tenido que ver con este tipo de problemas, que no son fáciles de solucionar. Pese a todo con este experimento han conseguido calcular una cota a la sección eficaz de las posibles partículas de materia oscura supersimétricas.
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Dibujo de cómo será X-MASS. La esfera central contendrá los detectores principales y el xenón líquido. Foto: X-MASS.
En el último año el experimento XENON10, en el laboratorio de Gran Sasso, ha mejorado los resultados del CDMS usando solamente unos pocos kilogramos de xenón líquido. Según sus resultados las partículas WIMPs tendrían una masa de 30 GeV y una sección eficaz de 4,5×10-44 cm2. Sin embargo, estos datos no están libres de polémica. Conseguir resultados sin mucho ruido es casi imposible y siempre hay sospechas sobre si lo que se está midiendo es o no una señal verdadera.
Un posible rescate puede venir por parte del Departamento de Energía y la NSF de EEUU que en 2010 financiarían con unos cientos de millones de dólares la construcción de un nuevo detector. Este detector (Deep Underground Science and Engineering Laboratory o DUSEL), de la escala de una tonelada métrica, se ubicaría en alguna mina profunda y podría detectar una sección eficaz de hasta 10-46 cm2 en las interacciones de estas partículas con la materia ordinaria. Europa tiene planes similares y Japón acaba de lanzar el X-MASS, un detector que utilizará 800 kg de xenón líquido.
El éxito simultáneo con distintos tipos de detectores podría ser la prueba definitiva que se está buscando. Pero, como siempre, habrá que esperar.
Fuentes y referencias:
Noticia en Scientific American.
Nota de la APS..
Max Tegmark et al., Phys. Rev. D 69, 103501 (2004); E. Komatsu et al., arXiv:0803.0547v2.
Z. Ahmed et al. (CDMS Collaboration), Phys. Rev. Lett. 102, 011301 (2009).
R. Bradley et al., Rev. Mod. Phys. 75, 777 (2003).
Richard J. Gaitskell, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 54, 315 (2004).
O. Adriani et al. (the PAMELA collaboration), arXiv:0810.4995v1; J. Chang et al. (the ATIC collaboration), Nature 456, 362 (2008).
J. Angle et al. (the XENON10 collaboration), Phys. Rev. Lett. 100, 021303 (2008).
G. Jungman, M. Kamionkowski, and K. Griest, Phys. Rep. 267, 195 (1996); G. Bertone, D. Hooper, and J. Silk, Phys. Rep. 405, 279 (2005).

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