La materia oscura constituye alrededor del 27 % de la masa y energía de nuestro universo. Y, sin embargo, no sabemos lo que es, de ahí su nombre. Sí sabemos que no es materia ordinaria (bariónica para los científicos), ni es energía oscura, ni son neutrinos. No es nada conocido. También sabemos que no emite, ni interactúa con, ningún tipo de radiación electromagnética, por lo que es invisible en todo el espectro electromagnético. Deducimos que existe por sus efectos gravitatorios que se revelan en el movimiento de la materia ordinaria de las galaxias, porque distorsiona el espaciotiempo creando lentes gravitacionales, porque influye en la estructura a gran escala del universo y porque sus efectos se perciben en el fondo cósmico de microondas.

El hecho de que todos los intentos de detección directa de materia oscura siempre lleven a resultados negativos es muy frustrante. Una razón posible puede ser la propia masa de esta materia: a pesar de que cada vez se usan equipos con mayor sensibilidad, los detectores actuales, desarrollados sobre las distintas hipótesis de su composición, no podrían detectarla, aunque alguna hipótesis fuese correcta, si las partículas constituyentes son extremadamente ligeras.

Ahora Kathryn Zurek, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (EE.UU.), en distintas colaboraciones, ha presentado dos ideas que permitiría construir detectores con sensibilidad suficiente para detectar partículas extremadamente ligeras.

Simplificando mucho los detectores de materia oscura están diseñados para funcionar de la siguiente manera: las partículas de materia oscura llegan al detector; al hacerlo empujan con suavidad los núcleos atómicos y los electrones de los átomos que componen el detector; estos escasos y leves desplazamientos generan pequeñas cantidades de energía en forma de luz o calor, que el detector registra. Pero la capacidad de detectar partículas de una determinada masa depende de las propiedades del material del detector, como la masa de sus núcleos: si quiero detectar pelotas de pin-pong es mejor usar pelotas de tenis que pelotas de billar, ya que es más fácil para la pelota de pin-pong desplazar las primeras que las segundas. Los detectores actuales, hechos de materiales semiconductores o de xenón líquido, son sensibles solo a partículas con una masa superior a los 10 millones de electronvoltios o 1.783 · 10^-29 kg

Zurek y sus colegas proponen construir detectores de aluminio superconductor o de helio superfluido, un estado del helio que se consigue a apenas décimas del cero absoluto de temperatura y cuyo descubrimiento valió un premio Nobel. En el primer caso las partículas de materia oscura interaccionarían con pares de electrones del semiconductor separándolos. En el segundo las partículas rebotarían en los ultraligeros núcleos de helio y éstos se moverían de forma apreciable. Según calculan los investigadores estos métodos aumentarían la sensibilidad unas 10.000 veces, detectando partículas mayores a mil electronvoltios.

Referencias:

Yonit Hochberg et al (2016) Superconducting Detectors for Superlight Dark Matter Phys Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.116.011301

Katelin Schutz and Kathryn M. Zurek (2016) Detectability of Light Dark Matter with Superfluid Helium Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.117.121302

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next