Las observaciones cosmológicas de las órbitas de estrellas y galaxias permiten extraer conclusiones claras sobre las fuerzas de atracción gravitatoria que actúan entre los cuerpos celestes.
El sorprendente hallazgo: la materia visible está lejos de ser suficiente para poder explicar el desarrollo o los movimientos de las galaxias. Esto sugiere que existe otro tipo de materia, hasta ahora desconocido. En consecuencia, en el año 1933, el físico y astrónomo suizo Fritz Zwicky infirió la existencia de lo que ahora se conoce como materia oscura. La materia oscura es una forma postulada de materia que no es directamente visible pero que interactúa a través de la gravedad y consta de aproximadamente cinco veces más masa que la materia con la que estamos familiarizados.
Recientemente, tras un experimento de precisión desarrollado en el Centro Albert Einstein de Física Fundamental (AEC) de la Universidad de Berna, un equipo de investigación internacional logró reducir significativamente el alcance de la existencia de la materia oscura. Con más de 100 miembros, la AEC es una de las principales organizaciones internacionales de investigación en el campo de la física de partículas. Los hallazgos del equipo, dirigido por Bern, ahora se han publicado en Physical Review Letters.
El misterio que rodea a la materia oscura
“Todavía no está completamente claro de qué está hecha la materia oscura”, explica Ivo Schulthess, un Ph.D. estudiante de la AEC y autor principal del estudio. Lo cierto, sin embargo, es que no está hecho de las mismas partículas que forman las estrellas, el planeta Tierra o los humanos. En todo el mundo, se están utilizando experimentos y métodos cada vez más sensibles para buscar posibles partículas de materia oscura, hasta ahora, sin embargo, sin éxito.
Ciertas partículas elementales hipotéticas, conocidas como axiones, son una categoría prometedora de posibles candidatos para partículas de materia oscura. Una ventaja importante de estas partículas extremadamente ligeras es que podrían explicar simultáneamente otros fenómenos importantes de la física de partículas que aún no se han entendido.
El experimento de Berna arroja luz sobre la oscuridad
“Gracias a muchos años de experiencia, nuestro equipo ha logrado diseñar y construir un aparato de medición extremadamente sensible: el experimento Beam EDM”, explica Florian Piegsa, Catedrático de Baja Energía y Física de Precisión de la AEC, quien fue galardonado con uno de los prestigiosos premios ERC Starting Grants del European Research Council en 2016 por su investigación con neutrones. Si los escurridizos axiones realmente existen, deberían dejar una firma característica en el aparato de medición.
“Nuestro experimento nos permite determinar la frecuencia de rotación de los giros de los neutrones, que se mueven a través de una superposición de campos eléctricos y magnéticos”, explica Schulthess. El giro de cada neutrón individual actúa como una especie de aguja de brújula, que gira debido a un campo magnético de manera similar a la manecilla de segundos de un reloj de pulsera, pero casi 400 000 veces más rápido.
“Medimos con precisión esta frecuencia de rotación y la examinamos en busca de las fluctuaciones periódicas más pequeñas que serían causadas por las interacciones con los axiones”, explica Piegsa. Los resultados del experimento fueron claros: “La frecuencia de rotación de los neutrones se mantuvo sin cambios, lo que significa que no hay evidencia de axiones en nuestra medición”, dice Piegsa.
Espacio de parámetros reducido con éxito
Las mediciones, que se llevaron a cabo con investigadores de Francia en la Fuente de Neutrones de Investigación Europea en el Instituto Laue-Langevin, permitieron la exclusión experimental de un espacio de parámetros de axiones completamente inexplorado previamente. También resultó posible buscar axiones hipotéticos que serían más de 1000 veces más pesados de lo que era posible anteriormente con otros experimentos.
“Aunque la existencia de estas partículas sigue siendo un misterio, hemos excluido con éxito un importante espacio de parámetros de la materia oscura”, concluye Schulthess. Los experimentos futuros ahora pueden basarse en este trabajo. “Responder finalmente a la pregunta sobre la materia oscura nos daría una idea significativa de los fundamentos de la naturaleza y nos acercaría un paso más a una comprensión completa del universo”, explica Piegsa.
Con información de Physical Review
