Falta el 85% de la materia en el universo: pero los científicos están cada vez más cerca de encontrarla

La mayor parte de la materia del universo está desaparecida. Los científicos creen que alrededor del 85% de la materia del cosmos está compuesta de materia oscura invisible, que solo se ha detectado indirectamente por sus efectos gravitacionales en su entorno.

Mis colegas y yo, un equipo de unos 250 científicos de todo el mundo que trabaja en un experimento sobre materia oscura llamado LUX-ZEPLIN (o LZ), informamos de nuestros últimos hallazgos de la larga búsqueda para descubrir exactamente de qué está hecha esta materia oscura.

Todavía no hemos encontrado las esquivas partículas de las que creemos que está compuesta la materia oscura, pero hemos establecido los límites más estrictos hasta ahora sobre sus propiedades. También hemos demostrado que nuestro detector está funcionando como se esperaba y debería producir resultados aún mejores en el futuro.

Nuestros resultados se presentarán en la conferencia TeV Particle Astrophysics 2024 en Chicago y la conferencia LIDINE 2024 en São Paulo, Brasil. Se enviará un artículo a una revista para su revisión por pares.

¿Qué es la materia oscura?

Cuando los astrónomos observan el universo, ven evidencia de que la materia visible de las estrellas, el gas y las galaxias no es todo lo que existe. Muchos fenómenos, como la velocidad de rotación de las galaxias y el patrón del resplandor residual del Big Bang, solo pueden explicarse por la presencia de grandes cantidades de una sustancia invisible: la materia oscura.

¿De qué está hecha esta materia oscura? Actualmente no conocemos ningún tipo de partícula que pueda explicar estas observaciones astronómicas.

Existen docenas de teorías que pretenden explicar las observaciones de materia oscura, que van desde partículas exóticas desconocidas hasta pequeños agujeros negros o cambios fundamentales en nuestra teoría de la gravedad. Sin embargo, ninguna de ellas ha demostrado ser correcta.

Una de las teorías más populares sugiere que la materia oscura está formada por las llamadas «partículas masivas de interacción débil» (o WIMP, por sus siglas en inglés). Estas partículas relativamente pesadas podrían causar los efectos gravitacionales observados y también, muy raramente, interactuar con la materia ordinaria.

¿Cómo sabríamos si esta teoría es correcta? Bueno, creemos que estas partículas deben estar fluyendo a través de la Tierra todo el tiempo. En su mayor parte, pasarán sin interactuar con nada, pero de vez en cuando una WIMP podría chocar directamente con el núcleo de un átomo, y estas colisiones son lo que estamos tratando de detectar.

Un gran tanque frío de xenón líquido

El experimento LZ está ubicado en una antigua mina de oro a unos 1.500 metros bajo tierra en Dakota del Sur, en los EE. UU. Colocar el experimento a gran profundidad ayuda a eliminar la mayor cantidad posible de radiación de fondo.

El experimento consiste en un gran tanque de doble pared lleno de siete toneladas de xenón líquido, un gas noble enfriado a una temperatura de 175 kelvin (–98 °C).

Si una partícula de materia oscura choca contra un núcleo de xenón, debería emitir un pequeño destello de luz. Nuestro detector tiene 494 sensores de luz para detectar estos destellos.

Por supuesto, las partículas de materia oscura no son las únicas cosas que pueden crear estos destellos. También hay algo de radiación de fondo procedente de los alrededores e incluso de los materiales del tanque y de los propios detectores.

Una gran parte de averiguar si estamos viendo señales de materia oscura consiste en separar esta radiación de fondo de cualquier otra cosa más exótica. Para ello, realizamos simulaciones detalladas de los resultados que esperaríamos ver con y sin materia oscura.

Estas simulaciones han sido el foco de gran parte de mi participación en el experimento, que comenzó cuando comencé mi doctorado en 2015. También desarrollé sensores de monitorización de detectores y fui responsable de la integración y puesta en servicio del detector central subterráneo, que comenzó a recopilar datos en 2021.

Reduciendo la red

Nuestros últimos resultados no muestran señales de materia oscura. Sin embargo, nos permiten descartar muchas posibilidades.

No encontramos rastros de partículas con masas superiores a 1,6 × 10–26 kilogramos, que es aproximadamente 10 veces más pesado que un protón.

Estos resultados se basan en 280 días de observaciones del detector. Con el tiempo, nuestro objetivo es recopilar 1000 días, lo que nos permitirá buscar partículas de materia oscura potencialmente aún más esquivas.

Si tenemos suerte, es posible que encontremos materia oscura en los nuevos datos. Si no, ya hemos comenzado a hacer planes para un experimento de materia oscura de próxima generación. El consorcio XLZD (XENON-LUX-ZEPLIN-DARWIN) tiene como objetivo construir un detector casi 10 veces más grande que nos permitiría rastrear aún más espacio donde pueden estar ocultas estas partículas ubicuas pero esquivas.

Con información de Phys.org