El problema de la Materia Oscura

Si extendiéramos la palma de nuestra mano, habría alrededor de siete millones de partículas de Materia Oscura que nos la atravesarían por segundo / Imagen: Wikipedia

Sobre la importancia de cazar Materia Oscura bajo nuestros pies

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Uno de los métodos para entender la composición de la Materia Oscura es la detección directa. Investigadores han demostrado que los resultados de estos experimentos tienden a ser subestimados al analizar modelos teóricos que explican esta problemática.

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UAM Gazette / Cuando miramos al cielo, a simple vista pareciera que todo lo que hay ahí fuera son estrellas. Nada más lejos de la realidad. Hoy en día sabemos que toda la materia que conocemos, sólo supone un porcentaje muy pequeño del total de materia que puebla el Universo. La mayor parte, alrededor del 85%, la constituye la denominada Materia Oscura.

No sabemos qué tipo de partícula –o partículas– componen la Materia Oscura, pero sí sabemos que ninguna partícula conocida en la actualidad puede jugar el papel protagonista en este oscuro teatro. Éste es el llamado problema de la Materia Oscura. Necesitamos ir más allá de lo que conocemos para poder explicar todas las observaciones que dan constancia de la existencia de este nuevo tipo de materia.

Esquema de un experimento de detección directa de Materia Oscura | UAM Gazette
Esquema de un experimento de detección directa de Materia Oscura | UAM Gazette

Dentro del zoo de posibilidades que la Física de Partículas nos ofrece, los candidatos que encabezan la lista son los WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles –Partículas Masivas que Interaccionan Débilmente–). Si la naturaleza hubiera elegido que este tipo de partículas existieran, éstas, de forma natural, nos habrían dado la respuesta de por qué hay tanta Materia Oscura en el Universo.

Se ha determinado que en nuestro Sistema Solar debe haber una densidad de Materia Oscura de aproximadamente 0.003 partículas por centímetro cúbico (asumiendo que la masa de estas partículas fuera 100 veces mayor que la masa del protón).

Podría parecer que esta densidad es ridículamente pequeña; sin embargo, si extendiéramos la palma de nuestra mano, habría alrededor de siete millones de partículas de Materia Oscura que nos la atravesarían por segundo. No obstante, la probabilidad de que una de estas partículas choque con alguno de nuestros átomos es extremadamente pequeña, lo que convierte su descubrimiento en una tarea titánica.

Los experimentos de detección directa tratan, precisamente, de cazar estas partículas que atraviesan la Tierra tan impetuosamente. Para ello, se colocan grandes cantidades (cientos de kilogramos) de materiales –como xenón o germanio– en minas subterráneas y se espera, en un silencio absoluto, a que una de estas elusivas partículas choque contra un núcleo atómico en el detector. Si eso ocurriera, el movimiento de retroceso del núcleo, debido al impacto de la Materia Oscura, sería detectado y podríamos decir que la hemos descubierto.

Desafortunadamente, y a pesar de los esfuerzos que se están realizando, actualmente no se tiene constancia de que esto haya ocurrido. A pesar de ello, el hecho de no haberla visto nos permite extraer información tremendamente valiosa acerca de cómo ésta interacciona con la materia ordinaria.

Detalles que no se pueden pasar por alto

En un estudio llevado a cabo recientemente por investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y del Instituto de Física Teórica (ift, Centro de Excelencia “Severo Ochoa”, UAM-CSIC), Cristina Marcos, Miguel Peiró y Sandra Robles, han demostrado que, en la mayoría de los casos, los experimentos de detección directa de Materia Oscura son aún más restrictivos de lo que parecían.

Se ha determinado que en nuestro Sistema Solar debe haber una densidad de Materia Oscura de aproximadamente 0.003 partículas por centímetro cúbico

Por medio de simulaciones computacionales de los dos grandes experimentos actuales: SuperCDMS y LUX; teniendo en cuenta las diversas posibilidades de interacción de la Materia Oscura tanto con protones como con neutrones; y usando los últimos datos sobre las propiedades del halo de Materia Oscura de nuestra galaxia; estos investigadores han constatado que, si la Materia Oscura es ligera (por debajo de 50 veces la masa del protón aproximadamente), estos detalles del halo de la Vía Láctea son determinantes a la hora de extraer conclusiones sobre la naturaleza de la Materia Oscura.

“Habitualmente, a la hora de analizar estos experimentos los expertos suelen usar la aproximación de la vaca esférica, es decir, utilizan un modelo de halo que sabemos que es una simplificación y que, por tanto, no es correcto”, explican los investigadores.

Estos jóvenes científicos no sólo han mostrado la importancia de este tipo de detalles sino que, además, han analizado dos modelos teóricos muy populares para resolver, entre otros, el problema de la Materia Oscura y han comprobado que el poder que tienen estos experimentos es notablemente superior al que se suponía.

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Referencia bibliográfica:

Marcos, M. Peiró & S. Robles. On the importance of direct detection combined limits for spin independent and spin dependent dark matter interactions. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Doi: 10.1088/1475-7516/2016/03/019

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