¿Alguna vez has estado junto al mar y te has sentido abrumado por su inmensidad, por lo rápido que podría llegar y tragarte? La evidencia sugiere que estamos suspendidos en un mar cósmico de materia oscura, una sustancia misteriosa que da forma a galaxias y grandes estructuras en el universo, pero que es transparente a los fotones, los portadores de la fuerza electromagnética. Nuestro hogar galáctico, la Vía Láctea, está sumergido en materia oscura, pero este cuerpo oculto no nos devora, porque sus fuerzas no pueden tocar la materia regular de la que estamos hechos.
Todo lo que sabemos sobre la materia oscura proviene de medir su atracción gravitacional, pero la gravedad es la más débil de las fuerzas de la naturaleza—tan débil que las fuerzas electromagnéticas que unen átomos para hacer una silla en la que podemos sentarnos son suficientes para contrarrestar la fuerza gravitacional de toda la Tierra. Así como necesitamos la fuerza electromagnética para informarnos sobre protones, neutrones, electrones y la riqueza de todas las partículas que conocemos—colectivamente llamadas el Modelo Estándar de la física de partículas—necesitamos más que gravedad para desbloquear los secretos del lado oscuro. Como resultado, las últimas tres décadas de búsqueda de materia oscura han estado caracterizadas por resultados nulos. Durante la mayor parte de ese tiempo, los investigadores han estado buscando una sola partícula para explicar la materia oscura.
Sin embargo, la materia oscura podría no ser una partícula en particular; podría ser todo un sector oculto de partículas y fuerzas oscuras. En este sector oscuro, las partículas interactuarían a través de sus propias fuerzas y dinámicas independientes, creando un mundo oculto de cosmología que corre paralelo al nuestro. Podría haber átomos oscuros—hechos de protones oscuros, neutrones oscuros y electrones oscuros—unidos por una versión oscura del electromagnetismo. Los portadores de esta fuerza, los fotones oscuros, podrían (a diferencia de nuestros fotones) tener masa, permitiendo que enormes núcleos atómicos oscuros—los llamados nuggets—se formen. Y las dinámicas totalmente diferentes de la materia oscura en este sector oscuro tendrían efectos diferentes en la evolución de la materia normal a lo largo del tiempo. Las interacciones de los nuggets en las galaxias podrían ayudar a formar agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias, causando que crezcan más de lo que de otro modo lo harían.
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La materia oscura podría no ser una partícula en particular; puede ser un sector oculto entero de partículas y fuerzas oscuras.
A medida que otras teorías más simples de la materia oscura han fracasado en encontrar confirmación experimental, el concepto de sector oscuro ha ganado impulso. Mis colegas y yo también hemos desarrollado planes novedosos para experimentos que pueden buscar este tipo de materia oscura. Estos experimentos utilizan técnicas de la física de la materia condensada para intentar descubrir un sector del cosmos que nunca hemos buscado antes.
Cuando entré en la búsqueda de materia oscura en 2005, los físicos se centraban en buscar susurros de materia oscura provenientes de la fuerza débil. A pesar de su nombre, la fuerza débil es mucho más fuerte que la gravedad, y los científicos sospechaban que la materia oscura podría comunicarse con nuestro mundo a través de esta fuerza. Construyeron muchos experimentos extremadamente sensibles, enterrados bajo tierra donde todo es tranquilo, para intentar escuchar tales murmullos.
Era un momento emocionante porque los astrofísicos también estaban viendo datos inexplicables que provenían del centro de la Vía Láctea que podrían haber sido una señal de materia oscura produciendo una neblina de fotones a partir de algún tipo de interacción con la fuerza débil. Encontré estas ideas intrigantes, pero no estaba convencido de que la señal de la Vía Láctea proviniera de materia oscura. Parecía prematuro centrar la búsqueda de materia oscura en teorías relacionadas con la fuerza débil. Además, muchos procesos de la física ordinaria producen los fotones de microondas que estaban emanando del centro de nuestra galaxia.
En la primera conferencia sobre materia oscura a la que asistí después de la escuela de posgrado, hice una apuesta con un defensor principal de la idea de la "neblina de materia oscura", Dan Hooper de la Universidad de Wisconsin–Madison. Hooper pensaba que podríamos confirmar que estas observaciones eran causadas por materia oscura en los próximos cinco años. Yo tomé la posición escéptica. Las apuestas de la apuesta: quien perdiera tendría que decir que el otro tenía razón en cada una de sus charlas científicas durante un año. Era un consuelo que si perdía, aún podría disfrutar de la alegría de que la materia oscura hubiera sido descubierta. Esta apuesta me acompañaría durante los siguientes 13 años de mi carrera científica.
A veces nuestras suposiciones terminan atándonos, impidiéndonos encontrar las soluciones que buscamos. Las primeras ideas sobre la naturaleza de la materia oscura se centraron en resolver los problemas teóricos del Modelo Estándar, que describe no solo las partículas conocidas, sino también las fuerzas cuánticas (electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte). Dos enigmas del modelo son por qué la fuerza débil es mucho más fuerte que la gravedad (lo que los físicos llaman el problema de la jerarquía) y por qué la fuerza fuerte—la fuerza que une los núcleos atómicos—no nota la diferencia entre partículas reflejadas y antipartículas (llamado el problema de la conjugación de carga fuerte-paridad, o problema de CP fuerte). Los físicos de partículas hipotetizaron que agregar nuevas partículas al Modelo Estándar podría ayudarnos a entender por qué las partículas conocidas se comportan como lo hacen. Estas nuevas partículas también podrían existir en las cantidades adecuadas para explicar la materia oscura.
Dos categorías de partículas surgieron como candidatas populares. Un grupo, llamado WIMPs (por partículas masivas de interacción débil, para que no dudes de que el campo tiene humor), aparece en soluciones al problema de la jerarquía. Otro conjunto de partículas propuestas, axiones (en honor al detergente para la ropa, como una metáfora para limpiar el problema), ofreció una solución al problema fuerte de CP.
Sin embargo, pensé que deberíamos cuestionar la premisa de que la materia oscura también resolvía los problemas del Modelo Estándar. Mis partículas imaginadas no interactuaban a través de ninguna de las fuerzas del Modelo Estándar; tendrían sus propias fuerzas y dinámicas independientes, por lo que no podrían resolver los misterios de ese modelo. También eran mucho más ligeras que los WIMPs y ocupaban un valle oculto de la escala de energía y masa para partículas. Esta idea, que propuse alrededor de 2006, iba en contra de la tendencia en la física de altas energías, que se centraba en construir enormes experimentos, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN cerca de Ginebra, para producir las partículas cada vez más masivas que los teóricos imaginaban. En contraste, las partículas del valle oculto ocuparían un territorio de energía mucho más baja y puede que no se hayan observado en experimentos simplemente porque sus interacciones con partículas ordinarias son mucho más débiles que la fuerza débil.
Sin la idea de que la materia oscura debería resolver el problema de la jerarquía o el problema de CP fuerte, toda una gama de nuevos modelos se volvió teóricamente viable y consistente con las observaciones de nuestro universo. Me centré en la idea de que el valle oculto proporcionaba un anfitrión natural para el sector de la materia oscura. La dinámica diferente de la materia oscura en el sector oscuro en comparación con los WIMPs tendría diferentes efectos en la evolución de la materia normal a lo largo del tiempo.
A medida que mis colegas y yo estudiamos las posibles implicaciones de un sector oscuro en las próximas décadas, la gama de consecuencias observables en nuestro universo floreció. El campo se ve completamente diferente ahora. Las teorías del sector oscuro han sido ayudadas en el camino por anomalías experimentales fortuitas.
Las anomalías afortunadas llegaron en 2008 de experimentos que habían estado buscando materia oscura WIMP. Para este momento, los experimentalistas ya habían pasado dos décadas construyendo experimentos en la Tierra para buscar materia oscura del supuesto mar que debe estar pasando a través de la Tierra en todo momento. En 2008, tres de estos vieron un aumento misterioso e inexplicado en "eventos" a bajas energías. Un evento, en este caso, significa que una sola partícula de materia oscura puede haber chocado contra un núcleo atómico regular en el detector y le dio un impulso de energía. Los experimentos registraron eventos que podrían haber sido causados por partículas de materia oscura que pesan unas pocas veces la masa del neutrón.
Los excesos en estos experimentos me electrificaron porque eran consistentes con una teoría de materia oscura en valles ocultos que había propuesto el año anterior. Llamé a esta teoría materia oscura asimétrica. La teoría se basaba en la idea de que la cantidad de materia oscura en el universo está determinada por cómo esa materia interactúa con neutrones y electrones. Podemos tomar este número, establecido por la teoría, y combinarlo con la masa total de toda la materia oscura en el espacio (que conocemos a partir de observaciones astronómicas) para calcular la masa de las partículas del sector oscuro más comunes. Resulta que las partículas teorizadas deberían pesar aproximadamente lo mismo que los neutrones, justo lo que los experimentos estaban observando.
La llegada de estas anomalías hizo que el campo de la materia oscura del sector oculto se volviera muy popular. El repositorio en línea para nuevos artículos de física explotó con estudios que sugerían posibles explicaciones para los excesos con diferentes tipos de sectores ocultos. De repente, parecía que podría perder mi apuesta de que la materia oscura se mantendría oculta. Pero las observaciones y las teorías no se alineaban del todo, y los modelos se volvieron más barrocos y retorcidos para ajustarse a los datos experimentales. Para 2011, mi creencia de que las anomalías podrían ser evidencia de materia oscura se desvaneció.
No todos estaban de acuerdo. Hooper, siempre el optimista, todavía pensaba que las anomalías podrían ser materia oscura, así que aumentó la apuesta y añadió dos botellas de vino de alta gama. Sin embargo, eventualmente, más verificaciones de las anomalías convencieron a la mayoría de los físicos de que la mayoría de las observaciones debían tener una explicación mundana, como una señal de fondo o efectos del detector que contaminan los datos. Mis botellas de vino de alta gama de Hooper llegaron durante la pandemia en 2020.
Pero eso no fue el final de la historia. El impacto a largo plazo de estas anomalías abrió la mente de los investigadores a nuevas teorías de materia oscura más allá de los WIMPs y axiones. Este cambio fue facilitado por el hecho de que décadas de experimentos diseñados para encontrar WIMPs y axiones hasta ahora no habían dado resultados. Incluso el Gran Colisionador de Hadrones, que muchos científicos esperaban que encontrara WIMPs y otras nuevas partículas, no encontró nada nuevo excepto por la última pieza no confirmada del Modelo Estándar, el bosón de Higgs. Cada vez más físicos reconocieron que necesitábamos ampliar nuestra búsqueda.
En 2014 me mudé de la Universidad de Michigan al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, donde dirigí mi atención de las teorías de materia oscura a la elaboración de nuevos métodos de detección de materia oscura. Trabajar en esta área amplió radicalmente mis horizontes en física. Aprendí que estudiar las fuerzas fundamentales de la naturaleza no es suficiente para entender cómo la materia oscura podría interactuar con la materia regular. Para tales comunicaciones raras y débiles entre partículas, las interacciones entre los constituyentes fundamentales de la materia (los nucleones y electrones en los átomos) se vuelven primordiales. En otras palabras, para entender cómo una partícula de materia oscura podría afectar un átomo típico, debemos considerar las pequeñas interacciones entre los átomos dispuestos en una red cristalina dentro de un material. Imagina los resortes en un colchón de estilo antiguo: si una parte de un resorte se presiona hacia abajo, propaga ondas a través de todo el colchón.
Debido a que muchos materiales funcionan así, era lógico que si la materia oscura perturbara un átomo en una red de materia "normal", establecería una perturbación que se propaga. Estas perturbaciones colectivas, que involucran muchos átomos, son de naturaleza cuántica y se llaman fonones o magnonos. Entender los fonones es el dominio de la física de la materia condensada y del estado sólido, que se centran en los efectos colectivos de muchos átomos dentro de un material. Debido a que los materiales pueden estar compuestos por muchos tipos diferentes de átomos y moléculas, con diferentes enlaces entre ellos, las perturbaciones colectivas adoptan muchas formas, convirtiéndose en un zoológico de posibles interacciones.
Lo que hemos logrado en los últimos 20 años es una apertura dramática de las posibilidades teóricas para la materia oscura y las formas de encontrarla.
Uno de mis desafíos fue entender cómo la materia oscura podría interactuar con estos fenómenos colectivos. Para hacer eso, necesitaba un modelo útil que describiera todos los efectos complicados con solo unos pocos parámetros. Descubrí que podía predecir cuán probable era que diferentes tipos de materia oscura interactuaran con un material si la fuerza que gobernaba la interacción era la misma que la fuerza responsable de la abundancia de materia oscura en nuestro universo.
Me encontré con algunos desafíos prácticos. No todos los físicos hablan el mismo lenguaje de la física. Además, cada campo tiende a centrarse en solo unas pocas preguntas al estudiar un sistema físico. Me interesaban preguntas muy diferentes a las que interesan a la mayoría de los físicos de materia condensada en ejercicio. Y como físico de materia oscura colaborando con físicos de materia condensada en excitaciones colectivas por primera vez, tenía barreras que superar. Una vez que descubrí cómo reformular mi comprensión del problema de interacción de la materia oscura en la jerga utilizada por físicos de materia condensada y atómicos, mis estudiantes, postdoctorados y yo pudimos avanzar mucho más rápido.
Con el tiempo, un nuevo mundo de fenómenos colectivos se abrió ante nosotros. Descubrimos que los físicos de materia condensada y de física atómica, molecular y óptica se divertían aplicando su cartera de materiales y mecanismos de detección en la búsqueda de materia oscura. Después de unos años jugando con una abundante variedad de ideas, nos dimos cuenta de que necesitábamos centrarnos en solo unas pocas para el desarrollo experimental. Terminamos eligiendo dos materiales que parecían objetivos prometedores, tanto por sus interacciones fundamentales con la materia oscura como por la viabilidad de su uso en experimentos. Ahora estamos diseñando activamente experimentos utilizando estos materiales que esperamos llevar a cabo en los próximos años.
La primera categoría son los materiales polares, como el cuarzo y el zafiro, que producen fonones fuertes con una energía colectiva que se ajusta bien a la materia oscura y que parecen comunicarse bien con un fotón oscuro. El segundo material es el helio superfluido, que está libre de muchos de los defectos que afectan a los materiales sólidos con redes cristalinas. Este líquido presenta núcleos ligeros que pueden tener una buena oportunidad de interactuar con la materia oscura.
Para los próximos pasos, nuestros socios experimentales están liderando el camino. Mis antiguos colegas del Laboratorio Lawrence Berkeley han desarrollado dos de las ideas más prometedoras. Matt C. Pyle ha propuesto un experimento llamado SPICE (Experimento Criogénico de Interacciones Polares Sub-eV), que utilizaría un material polar como el zafiro para un detector. Otro experimentalista, Daniel N. McKinsey, ha imaginado el proyecto HeRaLD (Detector de Líquido de Helio y Rotón), que utilizaría helio superfluido.
Nuestro trabajo teórico sugiere que pequeñas muestras de los materiales objetivo—un kilogramo o menos—podrían ser suficientes para comenzar a probar nuestras teorías. Aunque estas muestras no requerirían mucho material, tendrían que estar libres de defectos y ser colocadas en entornos muy tranquilos y libres de contaminantes. Afortunadamente, a través de generaciones anteriores de experimentos de materia oscura en busca de WIMPs, Pyle y McKinsey ya tienen experiencia en reducir fuentes de ruido y radiactividad trabajando en el subsuelo.
Aunque todas las ideas teóricas están en su lugar para estos experimentos, tomará mucho tiempo ponerlas en acción. Ambos proyectos han recibido una ronda de financiamiento de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía para desarrollar aún más los conceptos. Sin embargo, en los últimos cuatro a cinco años, hemos descubierto nuevos procesos de fondo que podrían imitar las señales que estamos buscando, que tendremos que encontrar formas de bloquear. Debido a estos grandes fondos, los detectores aún no son lo suficientemente sensibles para descubrir la materia oscura. Puede que tome una década o más, como sucedió con las generaciones anteriores de experimentos WIMP, aprender a hacer que estos detectores sean tan silenciosos que puedan escuchar los susurros de la materia oscura.
Aún así, lo que hemos logrado en los últimos 20 años es una apertura dramática de las posibilidades teóricas para la materia oscura y las formas de encontrarla. La naturaleza fundamental de la materia oscura que permea nuestro universo aún no está resuelta. Mientras trabajo en este problema, me gusta pensar en la construcción de catedrales en siglos pasados, que fueron construidas a lo largo de generaciones, cada piedra cuidadosamente colocada sobre la anterior. Eventualmente, al construir nuestro entendimiento de la materia oscura poco a poco, esperamos alcanzar una verdadera comprensión de todos los componentes de la naturaleza.