Todo lo que podemos ver a nuestro alrededor — desde plantas a planetas, piedras a estrellas, personas a galaxias — está constituido por materia. Pero todo esto sólo constituye cerca del 15% del total de materia en el universo. ¿Y qué pasa con la inmensa mayoría restante? Ese 85% que para gran parte de la gente permanece desatendida es lo que llamamos ‘materia oscura’.

Sin embargo, este nombre no describe cómo luce este material ya que no absorbe, refleja o refracta luz de ningún tipo, haciéndola efectivamente invisible. Y no hay nada que pueda explicar este fenómeno en el modelo estándar de la física de partículas, la teoría que actualmente describe la estructura fundamental de la materia y el vacío.

“En el universo existen elementos como la radiación, la energía y la materia. Esta tiene definiciones físicas un poco complicadas pero las podemos entender como las cosas que tienen masa y podemos asociarles distintas características que se relacionan gravitacionalmente”, explica la astrónoma de la Universidad de Chile, Teresa Paneque

“La materia oscura es materia porque también tiene esa capacidad. Pero toda la materia en el universo puede ser bariónica (que podemos ver porque interactúa con la luz) o materia oscura, que es aquella que no lo hace”.

Actualmente existe un gran esfuerzo en la comunidad científica internacional por tratar de descubrir qué es exactamente la materia oscura, pero la pregunta natural que levanta es: si no podemos verla, sentirla, oírla, olerla o saborearla, ¿cómo sabemos que existe? Una palabra: gravedad.

¿Una gravedad invisible? 

Todo lo que posea masa tiene de por sí una atracción gravitatoria. A más masa, mayor la fuerza de este fenómeno. Pero los astrónomos lograron observar consistentemente que objetos de gran escala (como las galaxias) se comportan como si tuvieran muchísima más masa de la visible.

“En nuestro sistema solar tenemos al sol y los planetas que lo orbitan. Lo que va ocurriendo en su rotación respecto a un punto central, lo que generalmente pasa es que la masa del sistema está concentrada hacia el interior. Por ende, las cosas que están más al centro y cerca de la estrella van girando más rápido, a diferencia de los bordes en donde va más lento”, comentó Paneque.

El astrofísico suizo Fritz Zwicky fue el primero en proponer la idea de la materia oscura en 1933. Estudiando un clúster (un conjunto de estrellas o galaxias unidas gravitacionalmente)  encontró una discrepancia: no parecía haber una masa lo suficientemente cercana como para dar cuenta de lo rápido que se movían esas galaxias.

¿Por qué el clúster se mantenía unido? Así llegó a la conclusión de que debía haber otro componente que agregaba atracción gravitatoria y era invisible para nosotros. Y así fue que nombró a ese componente como materia oscura.

La galaxia Andrómeda, a 2,5 millones de años luz, arrojó las primeras luces de la ausente presencia de la materia oscura.

Pero el descubrimiento de Zwicky no fue más que el primero de muchos ejemplos de masa aparentemente ausente. A finales de los 70′ los astrónomos Vera Rubin y Kent Ford observaron a nuestra galaxia vecina, Andrómeda.

Los científicos de las estrellas esperaron ver que los objetos en los límites de la galaxia se movieran más lentos que aquellos en el centro. Pero no fue así: la velocidad relativa tendió a aplanarse, con objetos en los bordes orbitando más rápido que lo que la masa visible teóricamente les permitiría.

Cazando ese 80%

No es fácil buscar algo que es invisible y raras veces interactúa con la materia regular. Por lo mismo, los científicos empezaron a teorizar sobre qué podría ser la materia oscura: diseñaron y condujeron experimentos para cada hipótesis. El problema es el siguiente: la materia oscura podría ser cualquier cosa.

Las partículas de materia oscura podrían estar entre las más ligeras en el universo o podrían tener la masa de un planeta enano (o cualquier punto medio). Podrían ser calientes o frías — lo que no tiene tanto que ver con su temperatura como sí con su velocidad—. Podrían existir en estados de excitación constante (con electrones que salten de la órbita de su átomo por su nivel de energía mayor) o podrían tener niveles inferiores de energía. 

Existe una gran cantidad de diferentes partículas teóricas o grupos de partículas que podrían ser materia oscura, y el rango de masas y otras propiedades para estas materias oscuras es igual de enorme. Así que por lo pronto, los científicos no tienen certeza de la naturaleza de estos materiales.

Destruir para crear

Dentro de los experimentos que buscan encontrar diferentes partículas teóricas de materia oscura se encuentra el Gran Colisionador de Hadrones, que está construido en la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra. En este gigantesco acelerador, los protones son colisionados a energías extremadamente altas, que al chocar producen una gran variedad de otras partículas.

Hay algunas exóticas y raras a las cuales los científicos no tienen acceso, y la esperanza de que de entre ellas aparezca materia oscura no cede.

La aproximación del Colisionador de Hadrones es particular porque no buscan exactamente ver la materia oscura, sino que sus consecuencias entre otros átomos.

Vale recordar: si la materia oscura fuera producida en alguna de estas colisiones sería imposible de detectar directamente porque sólo flotaría fuera del túnel sin interactuar con el detector de las partículas creadas. Pero esa no-detección es precisamente lo que los científicos buscan. 

Una de las leyes de la conservación de la energía y el momento sostiene que, en un sistema cerrado, ni la energía ni el momento puede ser creado o destruido. Pueden cambiar su forma pero la cantidad será siempre constante.

Por lo mismo, los científicos pueden calcular cuánta energía y momento ingresó al colisionador, y cuánta salió después. Si en la ecuación hay algo que falte, sabrán que algo escapó y se llevó esa energía. Algo como la materia oscura.

Una cámara de seguridad anti materia oscura

Pero mientras el Gran Colisionador está buscando en una parte del espectro de posibilidades, otros experimentos hacen lo suyo en diferentes caminos distintos. Estos estudios apuntan a la posibilidad de que la materia oscura se relaciones con la materia regular a través de otros medios aparte de la gravedad. 

Uno de estos métodos es el de detección directa: la idea es fundamentalmente tomar un detector de partículas grande, colocarle en un ambiente donde no tenga influencias que podrían replicar las señales que podría emitir la materia oscura, y luego revisar el detector en búsqueda de un átomo que de un momento a otro vuele, aparentemente sin explicación. La teoría que lo explicará sería que una de estas partículas golpeó al átomo.

Uno de estos experimentos es el de XENON1T, el cual usa gigantescos tanques —de 3,2 toneladas de capacidad—  con xenón (un gas noble presente en la atmósfera) para detectar a una partícula candidata de ser materia oscura, conocida como WIMP (partículas masivas de interacción débil, o Weakly-Interacting Massive Particle por sus siglas en inglés). 

Los científicos de XENONT1 esperando encontrar un catalizador del movimiento entre los átomos de xenón. Créditos: Revista Muy Interesante

De hecho, este experimento logró detectar señales de interacciones inesperadas entre el xenón y otras partículas. Existen 3 posibles explicaciones para la señal registrada por el XENONT1. Dos de estas requieren que los expertos teoricen nuevas leyes de la física, mientras que una de ellas es consistente con la existencia de una partícula teórica de la materia oscura llamada axión.

“Un axión es una partícula teórica y elemental. El Universo está conformado de muchas partículas pequeñas. Primero los átomos, que contienen electrones, neutrones y protones; luego al interior de dichos elementos se encuentran otros aún más pequeños, cosa que aún se estudia a través de la disciplina de la ‘física de partículas’, explicó Ricardo Muñoz, astrónomo de la Universidad de Chile e investigador del Centro de Excelencia en Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA).

En el año 77, un grupo de científicos planteó la existencia de los axiones para explicar fenómenos físicos al interior del átomo, la cual podría pertenecer al concepto que conocemos como materia oscura. Sin embargo, aún no se ha comprobado la existencia de dichas partículas”,