Si la lucha por comprender físicamente el cosmos fuera una justa medieval, la materia oscura sería Ivanhoe. Todo el público contiene la respiración esperando que el héroe se quite el casco y revele su verdadero rostro.
Este desafío científico requiere poner en acción dos comunidades que poco a poco se van liberando de prejuicios mutuos. Por un lado tenemos la cosmología, que explora las escalas más grandes del universo. Por el otro, a la física de altas energías. Y esto lo tenemos cada vez más claro Comprender la materia oscura requiere un esfuerzo concertado.
El misterio de la materia oscura
Denegar la existencia de materia oscuraese elusivo componente del universo sería hoy una atrocidad. Sólo tendría cabida en la heterodoxia o la ignorancia.
Las curvas de rotación de las galaxias, el efecto de lente gravitacional o el fondo cósmico de microondas No dejan dudas sobre su existencia.
Nos encantaría tener un modelo de partículas que explicaría el misterio a nivel microscópico. De esta manera estaría conectado con casi toda la física que conocemos. Y digo “casi” porque la gravedad tiene el mismo problema, no sabemos la partícula que le corresponde. Pero eso sería salirse por la tangente, lo cual es un símil apropiado en este mundo de física tan matemática.
¿Por qué confiamos en que observando la dinámica de la materia conocida encontraremos nuevas formas? Bien, porque esto se relaciona con una larga tradición. El ejemplo histórico más conocido y relevante es el de la órbita de Urano. Su extrañeza no se comprendió hasta que Neptuno dejó de ser una estrella oculta, y entonces las piezas del rompecabezas encajaron en su lugar. Esperemos que algo así suceda con la materia oscura.
La clave del protón
Hace unos meses hubo un propuesta desconcertante para explicar la naturaleza de la materia oscura. Sería algo tan simple como un mar de neutrones desarraigados ¿Pero respecto de qué agentes físicos no tendrían raíces? Pues nada más y nada menos que protones. Y esta rareza es precisamente la explicación de este extraño y nuevo modelo.
En el cosmos que conocemos existe la extraña coincidencia de que el los protones y los neutrones tienen casi la misma masa. Esto les permite tener afinidad mutua, dando lugar a átomos estables. Dicho de otra manera, la tabla periódica es tal como la conocemos por la similitud entre ambos tipos de partículas.
Por otro lado, si los protones fueran un poco más pesados, se descompondrían en partículas más ligeras (piones, kaones) y algunos residuos más ligeros. En esencia, la masa de la partícula original debe ser mayor que la suma de las producidas (como dice la fórmula de Einstein). Y una masa mayor que la del protón da más espacio para que surja una variedad interesante de partículas. Entre estos, por qué no, los que dan consistencia a la materia oscura.
Pero no hay motivo para entrar en pánico: los protones que conocemos son tremendamente estables. Tiempo transcurrido desde el Big Bang Se espera que sólo una billonésima parte de las veces uno de estos protones permanezca intacto.
Un universo reflejado
La hipótesis detrás del estudio mencionado anteriormente es que existe un sector oscuro que imita nuestro modelo estándar de partículas. Por supuesto, este oscuro mundo paralelo tendría sus propias partículas e interacciones entre ellas. El paralelismo o simetría especular entre los dos sectores explicaría la relativa similitud entre las abundancias de materia ordinaria y materia oscura.
El tipo de relación que se propone entre ambos sectores es lo que se denomina simetría discreta.
Este tipo de relaciones matemáticas son muy importantes en las teorías que describen las partículas como excitaciones de campos cuánticos. Un ejemplo con cierta similitud con el propuesto recientemente es la simetría de paridad. Su violación fue descubierta por Chien Shiung Wu observar las direcciones preferenciales en la emisión de electrones cuando un cierto tipo de átomo de cobalto se desintegra. Esto refuerza la idea de que transformar protones o conjuntos de ellos (átomos) en otras partículas es una herramienta común para comprender la física fundamental.
Incluso si los protones del universo del espejo oscuro fueran más pesados, se desintegrarían rápidamente. Si lo queremos ver de otra manera, los protones oscuros se evaporarían. Esto dejaría un reguero de neutrones abandonados a un noble destino: ser materia oscura. Esto concuerda con la observación de que la materia oscura interactúa muy poco consigo misma. Si sucediera lo contrario, deberían producirse densas acumulaciones, y hasta la fecha no hay evidencia de este fenómeno.
El sector oscuro
Pero en este universo espejo nuestro también debe haber ocurrido un proceso de formación de elementos químicos más ligeros. En esta fase de nucleosíntesis, que ocurrió en los primeros minutos gran explosión En el universo espejo se formarían “versiones oscuras” de hidrógeno, helio y, en menor medida, litio. Pero la vida de estos elementos sería muy corta debido a la insignificante duración de los protones oscuros que contendrían.
Este sector oscuro tendría su propia historia térmica. Inicialmente los sectores a ambos lados del espejo tendrían la misma temperatura provocada por los frecuentes intercambios de energía. esto podría ser mediado por bosones: ya sea el Higgs o los humildes fotones. En cualquier caso, podrían quedar restos detectables en el gran colisionador de hadrones o en el fondo del microondas.
Por tanto, debido a sus propias características físicas, el sector oscuro se enfriaría mucho más rápido que el estándar. A partir de esta etapa podría haber reliquias en forma de neutrinos estériles y tal vez se puedan detectar esas esquivas partículas de espejo.
Para hacer una pequeña broma, podemos concluir que aún queda mucha luz por arrojar sobre esa forma oscura de la materia que nos sigue desconcertando. Pero tal vez, como en un poema gótico antiguoes finalmente un pálido reflejo (de un espejo) que nos aclara no la noche oscura, sino la materia oscura del universo.
Este artículo fue publicado originalmente en la conversacion.