La búsqueda intensiva y mundial de la materia oscura, la masa que falta en el universo, no ha logrado hasta ahora encontrar una abundancia de estrellas oscuras y masivas ni montones de nuevas y extrañas partículas de interacción débil, pero un nuevo candidato está ganando lentamente adeptos y apoyo observacional.

Llamadas SIMP -partículas masivas que interactúan fuertemente- fueron propuestas hace tres años por el físico teórico de la Universidad de California, Berkeley, Hitoshi Murayama, profesor de física y director del Instituto Kavli para la Física y las Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) en Japón, y la ex postdoc de la UC Berkeley Yonit Hochberg, ahora en la Universidad Hebrea de Israel.

Murayama dice que las recientes observaciones de un amontonamiento galáctico cercano podrían ser una prueba de la existencia de los SIMP, y anticipa que los futuros experimentos de física de partículas descubrirán uno de ellos.

Murayama discutió sus últimas ideas teóricas sobre los SIMP y cómo las galaxias en colisión apoyan la teoría en una charla invitada el 4 de diciembre en el 29º Simposio de Texas. 4 de diciembre en el 29º Simposio de Texas sobre Astrofísica Relativista, celebrado en Ciudad del Cabo (Sudáfrica).

Los astrónomos han calculado que la materia oscura, aunque invisible, constituye aproximadamente el 85% de la masa del universo. La prueba más sólida de su existencia es el movimiento de las estrellas dentro de las galaxias: Sin una mancha invisible de materia oscura, las galaxias se separarían. En algunas galaxias, las estrellas visibles son tan escasas que la materia oscura constituye el 99,9 por ciento de la masa de la galaxia.

Los teóricos pensaron primero que esta materia invisible era sólo materia normal demasiado tenue para verla: estrellas fallidas llamadas enanas marrones, estrellas quemadas o agujeros negros. Sin embargo, los llamados objetos compactos masivos del halo – MACHOs – eludieron ser descubiertos, y a principios de este año un estudio de la galaxia de Andrómeda realizado por el telescopio Subaru básicamente descartó cualquier población significativa de agujeros negros no descubiertos. Los investigadores buscaron agujeros negros sobrantes del universo primitivo, los llamados agujeros negros primordiales, buscando los brillos repentinos que se producen cuando pasan por delante de las estrellas de fondo y actúan como una débil lente. Encontraron exactamente uno, demasiado pocos para contribuir de forma significativa a la masa de la galaxia.

«Ese estudio eliminó prácticamente la posibilidad de los MACHO; yo diría que ha desaparecido», dijo Murayama.

Los WIMP -partículas masivas de interacción débil- no han tenido mejor suerte, a pesar de ser el centro de atención de los investigadores durante varias décadas. Deben ser relativamente grandes -unas 100 veces más pesadas que el protón- e interactuar tan raramente entre sí que se denominan de interacción «débil». Se pensaba que interactuaban con más frecuencia con la materia normal a través de la gravedad, ayudando a atraer la materia normal en grupos que crecen hasta convertirse en galaxias y, finalmente, generan estrellas.

Las SIMP interactúan consigo mismas, pero no con otras

Las SIMP, al igual que las WIMP y las MACHO, se habrían producido teóricamente en grandes cantidades al principio de la historia del universo y desde entonces se han enfriado hasta alcanzar la temperatura cósmica media. Sin embargo, a diferencia de los WIMP, los SIMP interactúan fuertemente con ellos mismos a través de la gravedad, pero muy débilmente con la materia normal. Una posibilidad propuesta por Murayama es que una SIMP sea una nueva combinación de quarks, que son los componentes fundamentales de partículas como el protón y el neutrón, llamadas bariones. Mientras que los protones y los neutrones están compuestos por tres quarks, un SIMP sería más parecido a un pión al contener sólo dos: un quark y un antiquark.

El SIMP sería más pequeño que un WIMP, con un tamaño o sección transversal como el de un núcleo atómico, lo que implica que hay más de ellos de lo que habría WIMPs. Un número mayor significaría que, a pesar de su débil interacción con la materia normal -principalmente mediante la dispersión de la misma, en lugar de fusionarse con la materia normal o descomponerse en ella- seguirían dejando una huella en la materia normal, dijo Murayama.

Observa dicha huella en cuatro galaxias en colisión dentro del cúmulo Abell 3827, donde, sorprendentemente, la materia oscura parece ir por detrás de la materia visible. Esto podría explicarse, dijo, por las interacciones entre la materia oscura de cada galaxia que ralentiza la fusión de la materia oscura pero no la de la materia normal, básicamente las estrellas.

«Una forma de entender por qué la materia oscura va por detrás de la materia luminosa es que las partículas de materia oscura tienen en realidad un tamaño finito, se dispersan unas contra otras, por lo que cuando quieren moverse hacia el resto del sistema son empujadas hacia atrás», dijo Murayama. «Esto explicaría la observación. Ese es el tipo de cosas que predice mi teoría de que la materia oscura es un estado ligado de un nuevo tipo de quarks».

Los WIMP también superan un importante fallo de la teoría de los WIMP: la capacidad de explicar la distribución de la materia oscura en las galaxias pequeñas.

«Hace tiempo que existe este rompecabezas: si se observan las galaxias enanas, que son muy pequeñas y tienen muy pocas estrellas, están realmente dominadas por la materia oscura. Y si se realizan simulaciones numéricas de cómo se agrupa la materia oscura, siempre se predice que hay una enorme concentración hacia el centro. Una cúspide», dijo Murayama. Pero las observaciones parecen sugerir que la concentración es más plana: un núcleo en lugar de una cúspide». El problema del núcleo/cúspide se ha considerado uno de los principales problemas de la materia oscura que no interactúa más que por gravedad. Pero si la materia oscura tiene un tamaño finito, como un SIMP, las partículas pueden «chocar» y dispersarse, y eso aplanaría el perfil de masa hacia el centro. Esta es otra «prueba» de este tipo de idea teórica».

Búsquedas en curso de WIMPs y axiones

Se están planeando experimentos en tierra para buscar SIMPs, sobre todo en aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN en Ginebra, donde los físicos siempre están buscando partículas desconocidas que se ajusten a las nuevas predicciones. Otro experimento en el planeado Colisionador Lineal Internacional de Japón también podría utilizarse para buscar SIMPs.

Mientras Murayama y sus colegas refinan la teoría de las SIMPs y buscan formas de encontrarlas, la búsqueda de WIMPs continúa. El experimento de materia oscura Large Underground Xenon (LUX), situado en una mina subterránea de Dakota del Sur, ha establecido límites estrictos sobre el aspecto que puede tener un WIMP, y un experimento actualizado llamado LZ ampliará esos límites. Daniel McKinsey, profesor de física de la UC Berkeley, es uno de los coportavoces de este experimento, que trabaja en estrecha colaboración con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, donde Murayama es un científico senior de la facultad.

Los físicos también están buscando otros candidatos a materia oscura que no sean WIMPs. Los profesores de la UC Berkeley participan en dos experimentos que buscan una partícula hipotética llamada axión, que podría cumplir los requisitos de la materia oscura. El Cosmic Axion Spin-Precession Experiment (CASPEr), dirigido por Dmitry Budker, un profesor emérito de física que ahora está en la Universidad de Mainz en Alemania, y el teórico Surjeet Rajendran, un profesor de física de la UC Berkeley, está planeando buscar perturbaciones en el espín nuclear causadas por un campo axión. Karl van Bibber, profesor de ingeniería nuclear, desempeña un papel clave en el Axion Dark Matter eXperiment – High Frequency (ADMX-HF), que pretende detectar axiones dentro de una cavidad de microondas dentro de un fuerte campo magnético a medida que se convierten en fotones.

«Por supuesto que no debemos abandonar la búsqueda de WIMPs», dijo Murayama, «pero los límites experimentales se están volviendo muy, muy importantes. Una vez que se llega al nivel de medición, en el que nos encontraremos en un futuro próximo, incluso los neutrinos acaban siendo el fondo del experimento, lo cual es inimaginable».

Los neutrinos interactúan tan raramente con la materia normal que se calcula que 100 trillones vuelan a través de nuestros cuerpos cada segundo sin que nos demos cuenta, algo que los hace extremadamente difíciles de detectar.

«El consenso de la comunidad es algo así como que no sabemos hasta dónde tenemos que llegar, pero al menos tenemos que bajar a este nivel», añadió. «Pero como definitivamente no hay indicios de que aparezcan WIMPs, la gente está empezando a pensar de forma más amplia estos días. Vamos a pararnos a pensar de nuevo en ello».