¿Dónde está la respuesta a la materia oscura?

Estrellas recién nacidas en la nebulosa pata de gato. Goto del telescopio espacial Spitzer de la NASA

Sánchez Ron sobre la materia oscura: "No nos debemos confiar en lo mucho que ya ha revelado la ciencia; es posible que no hayamos hecho sino traspasar el umbral de una puerta hacia un mundo completamente desconocido. Pero por ahora la cuestión es saber cuál es su naturaleza".

Es mucho lo que la ciencia nos ha enseñado y enseña sobre la naturaleza y los fenómenos y cuerpos que contiene, pero todavía quedan grandes y pequeñas preguntas por responder, más otras que sin duda surgirán en el futuro y de las que ahora no tenemos idea. De las cuestiones que nos hemos planteado, en mi opinión las dos más importantes son: de qué está compuesto el Universo y cómo es que nuestro cerebro tiene conciencia de sí mismo. La segunda no es nueva, de una u otra forma ha sido objeto de atención en el pasado por científicos y filósofos, aunque sólo ha sido posible comprender su tremenda complejidad una vez que se averiguó que el cerebro humano está compuesto por entre 80.000 y 100.000 millones de un tipo especial de células, denominadas neuronas, cada una de las cuales está conectada a alrededor de otras 10.000, lo que da origen a unos 30 o 40 mil ¡billones! de interconexiones.

Ya me he referido otras veces en estas páginas al problema de la constitución del Universo, problema cuya naturaleza se vio modificada radicalmente a lo largo del siglo XX, cuando en 1933 el astrofísico de origen suizo, instalado en el Instituto Tecnológico de California, Fritz Zwicky, observó (utilizando las facilidades del Observatorio de Monte Wilson) en el cúmulo de Coma, que contiene más de 10.000 galaxias, que el movimiento rotacional de éstas no se podía explicar en base a la masa que se estimaba incluía el cúmulo. Para explicar tales movimientos era preciso, según Zwicky, suponer la existencia de una masa 400 veces superior a la observada. Debería, por consiguiente, existir una masa oculta, “oscura” (Dunkle Materie fue el término alemán que empleó). La idea de Zwicky fue criticada y no se recuperó hasta la década de 1970 cuando observaciones debidas a Vera Rubin, Kent Ford y Ken Freeman confirmaron las medidas y la interpretación del astrofísico suizo. Desde entonces las evidencias -siempre indirectas- de la existencia de este tipo de materia, inobservable con los métodos conocidos en la actualidad, no han hecho sino crecer. Y no se trata de un problema menor, todo lo contrario, las estimaciones presentes indican que el Universo está compuesto de un 5 % de materia ordinaria (la que podemos observar), de un 27 % de esa materia oscura y de un 68 % de lo que se denomina “energía oscura”, que se detecta al medir la aceleración de la expansión del Universo (recuérdese que, de acuerdo a la célebre fórmula que Einstein presentó en 1905, E=mc2, energía y masa son equivalentes).

Que se desconociera hasta hace relativamente poco la existencia de materia oscura supone una magnífica lección sobre lo que puede aguardarnos en el futuro. No nos debemos confiar en lo mucho que ya ha revelado la ciencia; es posible que no hayamos hecho sino traspasar el umbral de una puerta hacia un mundo de conocimientos completamente desconocido e inesperado. Pero por ahora la cuestión es responder a la pregunta de cuál es la naturaleza de esa materia oscura. Una de las propuestas es que está compuesta de un tipo de partículas denominadas WIMP (siglas inglesas de “Partículas masivas que interaccionan débilmente”), cuya existencia predice la denominada Supersimetría (relacionada, a través de la Teoría de Supercuerdas, con el intento de lograr unificar la gravitación con las otras tres fuerzas conocidas: débil, fuerte y electromagnética), y que se supone interaccionan débilmente con la materia “normal” únicamente a través de las fuerzas gravitacional y débil, la responsable de los procesos radiactivos.

Hemos estado buscando con costosos métodos de qué puede estar compuesta la misteriosa materia oscura, y puede que la respuesta esté bajo nuestros pies

Para detectar estas WIMPs se han realizado algunos experimentos, con la esperanza de observar algún choque de WIMPs con núcleos atómicos de la materia contenida en el detector, pero hasta el momento todos ellos se caracterizan por emplear grandes cantidades de materiales y durar varios años. Hace tiempo me ocupé aquí de uno de estos experimentos, en el que se utilizó un detector denominado LUX (Large Underground Xenon) situado en una mina de Dakota del Sur, a 1.510 metros de profundidad, que contenía 370 kilogramos de xenón líquido ultra puro, con el que se pretendía encontrar la interacción de esas supuestas WIMPs con el xenón, pero el resultado fue negativo. Recientemente se acaba de proponer otro posible mecanismo, bastante sorprendente, para identificarlas. La propuesta se ha publicado el pasado mes de febrero en la revista Physical Review D, de la American Physical Society. Su título es “Paleo-detectores: en busca de la materia oscura con minerales antiguos”, y los autores son un grupo de cinco científicos suecos y polacos liderados por Patrick Stengel, de la Universidad de Estocolmo.

La idea es que las WIMPs habrían interaccionado-colisionado con rocas terrestres a lo largo de una escala temporal de en torno a 1.000 millones de años (recordemos que la edad de la Tierra es del orden de 4.500 millones de años), y que el producto de esas colisiones habría sido la creación de defectos de tamaño nanométrico en la estructura cristalina de las rocas, daños que se habrían conservado y que podrían detectarse utilizando las actuales técnicas de microscopía, mucho más poderosas que las disponibles hasta hace pocos años. De hecho, estos científicos estiman que podrían existir cientos de miles de defectos en un simple centímetro cúbico de roca y que este método posee una sensibilidad 100 veces mayor que la de los detectores que se están utilizando desde hace algunos años, como el mencionado LUX, o que los mayores aceleradores de partículas existentes en la actualidad, como es el caso del LHC (Gran Colisionador de Hadrones) del CERN. En el mencionado artículo los autores explican que, para evitar que se confundan estas huellas con las producidas por la radiación cósmica o contaminantes radiactivos como el uranio, hay que extraer muestras de rocas situadas a 10 kilómetros de profundidad, procedentes de depósitos de evaporitas (rocas sedimentarias formadas por la cristalización de sales disueltas en mares o lagos) o de rocas ultrabásicas (rocas ígneas con muy bajo contenido de sílice).

En resumen, hemos estado buscando con elaborados y costosos métodos de laboratorio de qué puede estar compuesta la misteriosa materia oscura, y puede que la respuesta esté sencillamente bajo nuestros pies.