11 Abr La búsqueda de materia oscura está en crisis

La búsqueda de la materia oscura está en crisis: Es hora de buscar nuevas ideas radicales para explicar nuestro universo.

Hace décadas, los astrofísicos rebosaban esperanzas de descubrir la materia oscura, la masa invisible que permite que las galaxias giren mucho más rápido de lo que permitiría la gravedad de sus estrellas por sí misma. Pero los detectores subterráneos instalados en la Tierra para capturar supuestas partículas oscuras han pasado años midiendo nada más que el silencio.

Debería haber cinco veces más materia oscura a nuestro alrededor que materia ordinaria, la materia de las estrellas, los planetas y las personas. El hecho de no encontrar esta parte del universo que falta, vista más recientemente en los nuevos resultados del experimento XENONnT, ha impulsado a los físicos a buscar una nueva explicación.

Pero la mayoría de estos intentos simplemente modifican una teoría existente o recurren a alternativas desgastadas solo para proponer más de lo mismo: enormes esfuerzos experimentales para construir los instrumentos más sensibles que jamás hayan existido, solo para que no detecten nada.

Si los astrofísicos no emprenden grandes y nuevos cambios de rumbo en la explicación de la materia oscura, la búsqueda se estancará hasta atrofiarse. Afortunadamente, la alarmante constatación de que estamos en el camino equivocado ha llevado a algunos a buscar nuevas vías de descubrimiento en lugar de volver a pisar el viejo terreno. Estas ideas más ambiciosas, a veces radicales y descabelladas, tengan éxito o no, al menos intentan hacer frente a la terrible situación.

Una posibilidad más difusa

A medida que fallan los detectores terrestres, los físicos, desesperados, han comenzado a mirar al cielo en busca de respuestas. Un nuevo tipo de búsqueda de materia oscura trataría de encontrar, por ejemplo, galaxias con distorsiones sintomáticas de «materia oscura difusa».

Esta teoría considera que las partículas de materia oscura son tan increíblemente ligeras que actúan como ondas en lugar de partículas. En lugar de un pequeño y concreto paquete de masa que atraviesa la Tierra como una bala invisible, una partícula de materia oscura difusa está en todas partes de la galaxia a la vez, como cuando puedes sintonizar la misma estación satelital de radio tanto en Nueva York como en Los Ángeles.

A escala galáctica, la materia oscura difusa se comportaría como un baño de ondas de fondo, zumbando al unísono como ruido blanco de fondo o ruido estático. Su gravedad combinada aún mantendría unida a la galaxia, pero las partículas difusas nunca chocarían contra un átomo como las partículas tradicionales, por lo que nunca se podrían ver en un detector en la Tierra, lo que explicaría nuestros fracasos experimentales hasta el momento.

Las versiones de esta idea han estado dando vueltas durante décadas, pero recientemente ha llegado un nuevo impulso cuando los físicos teóricos se dieron cuenta de que este tipo de materia oscura podría tener efectos particulares en las galaxias que podríamos buscar con el tipo de telescopio adecuado.

Por ejemplo, este ruido blanco de fondo formaría picos y valles naturales a lo largo de la galaxia como resultado de la interferencia de tantas ondas-partículas superpuestas. Siguiendo cuidadosamente el movimiento de las estrellas en las galaxias, podríamos ser capaces de ver signos de estas variaciones, lo que demostraría la naturaleza ondulante del «pegamento galáctico».

La búsqueda de estas firmas astronómicas hace que la materia oscura difusa sea especialmente atractiva en una era de esperanzas cada vez menores en la búsqueda de materia oscura en detectores terrestres subterráneos.

Detectores gravitacionales

Algunos físicos experimentales ambiciosos están comenzando a explorar el uso de modernos sensores mecánicos cuánticos para registrar la diminuta atracción gravitatoria de las partículas individuales de materia oscura que se desplazan a través de la Tierra. La gravedad de la materia oscura, temen, podría ser su única conexión con el mundo de la materia regular.

Pero solo podemos medir partículas en un laboratorio si tienen otra interacción mucho más fuerte que la gravedad. Dado que la gravedad ejerce un tirón mucho más suave que cualquier otra fuerza, la gravedad de las partículas individuales es demasiado pequeña para notarse. Solo puede medirse en conjunto, como cuando todas las partículas de materia oscura en una galaxia atraen una estrella al unísono. Esto hace que la materia oscura que interactúa solo por gravedad sea una especie de escenario de pesadilla, ya que sería imposible detectarla directamente. O eso pensábamos.

Ahora los científicos están tratando de pensar en nuevas tecnologías que sean sensibles a una atracción gravitacional mucho más pequeña de lo que pueden ver los detectores convencionales. Los sensores experimentales mecánicos cuánticos actuales solo pueden funcionar si las partículas de materia oscura resultan ser excepcionalmente pesadas.

Pero frente a la aterradora y creciente posibilidad de que la materia oscura que interactúa solo por gravedad sea real, explorar esta vía de investigación es una necesidad que podría dar lugar a nuevas tecnologías que pueden detectar partículas aún más ligeras.

La vuelta a las bases

Una facción pequeña, pero incondicional en la física, ha sostenido durante mucho tiempo que lo que no entendemos es la gravedad, no la composición del universo. Esta idea está ganando terreno a medida que las partículas de materia oscura evaden la detección y nuestra principal evidencia sigue siendo gravitatoria.

Una idea fresca en este campo proviene del físico teórico holandés Erik Verlinde, quien desafía la idea de que la gravedad es una fuerza. En cambio, comienza con la observación de que la segunda ley de la termodinámica exige que la «entropía» del universo, un número que cuantifica cuán «mezcladas» están las cosas, tiende a aumentar. Verlinde afirma que el fenómeno que llamamos «gravedad» es simplemente el resultado de esta tendencia: una manzana en el suelo de alguna manera constituye un mundo más agitado que una manzana en un árbol.

Para explicar esto, recurre a una maravilla gravitacional: el agujero negro. Sabemos desde la década de 1970 que la gravedad y la entropía están relacionadas gracias a los agujeros negros. A medida que los objetos caen en un agujero negro y crece, su entropía aumenta. Pero Verlinde realmente se basó en esta conexión gravedad-entropía, generalizándola para mostrar que al reorganizar inteligentemente las leyes de la entropía, se pueden obtener las conocidas leyes de la gravedad.

Según Verlinde, nuestra confusión de las leyes de la entropía con una fuerza separada nos ha llevado a malinterpretar el movimiento de las estrellas alrededor de las galaxias. Su teoría predice todo ese movimiento sin recurrir a la materia oscura. La idea se ha polarizado; los críticos han señalado que las predicciones de la teoría de la «gravedad entrópica» eran incompatibles con las mediciones cuánticas de neutrones muy fríos, solo para que otros teóricos salieran en defensa de Verlinde. Pero en una era de esperanza menguante para la materia oscura, la polarización es buena; más personas deberían pensar en grande y llamar la atención como Verlinde.

Los experimentos de materia oscura de la última década se construyeron debido a la hermosa simplicidad de la hipótesis que esperaban probar. Cuando, en cambio, lo descartaron, surgió una industria artesanal para inventar versiones más complicadas de la hipótesis para explicar que evadan los detectores actuales y justificar sus sucesores. La motivación ya no es la simpleza, sino la inercia.

Esta es la naturaleza de la ciencia; es más fácil pivotar que cambiar completamente de marcha. Pero en algún momento, es hora de ir a lo grande o irse a casa. Nuestra mejor esperanza es avanzar en nuevas direcciones, e incluso derribar antiguos pilares teóricos bien establecidos, para resolver el agujero más vergonzoso en nuestra imagen del universo.

Más información aquí: https://www.scientificamerican.com/article/dark-matter-hunters-need-fresh-answers/