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La partícula de la materia oscura: más allá del Modelo Estándar

Christian Coria
16/dic/2016

A pesar de que hasta el momento no ha sido detectada, la evidencia de que la materia oscura existe es cada vez mayor. La búsqueda sigue y los científicos están acercándose a la descripción de la partícula que constituye esta misteriosa sustancia.

El pasado 10 de noviembre, Alejandro Ibarra de la Universidad Técnica de Múnich, habló al respecto en el Instituto de Física durante su charla “The quest for the dark matter particle”.

Ibarra estudió Ciencias Físicas en la Universidad Complutense de Madrid y obtuvo el grado de doctor en ciencias por la Universidad Autónoma de Madrid. Actualmente es profesor de física de partículas en la Universidad Técnica de Múnich.

“La materia oscura es una solución plausible a varios problemas en astronomía que han estado con nosotros durante bastantes años”, inició el investigador.

Una de las primeras evidencias que se tiene de la existencia de materia oscura data de 1933, cuando el astrónomo y físico suizo Fritz Zwicky intentó determinar la masa total del Cúmulo de Coma (un cúmulo con más de 1000 galaxias identificadas).

El resultado que obtuvo Zwicky arrojó que las galaxias del Cúmulo de Coma son 500 veces más pesadas que las galaxias normales. El extraño resultado llevó al investigador a conjeturar la explicación de que la masa sobrante correspondería a una sustancia desconocida: la materia oscura.

El resultado de Zwicky está sobreestimado porque no sabía que la mayor parte de materia del Cúmulo de Coma no está en forma de galaxias sino de gas; sin embargo, estas observaciones constituyen una evidencia muy sólida de la existencia de materia oscura en este cúmulo.

A finales de los años 60, surgió otra prueba, la astrónoma estadounidense Vera Rubin, con el objetivo de demostrar que la galaxia de Andrómeda estaba rotando, hizo ciertas mediciones que no sólo lo demostraron, sino también mostraron un comportamiento muy peculiar en las regiones medidas.

Lo que Rubin observó es que a distancias muy grandes del centro de Andrómeda, las velocidades de rotación tienden a un número constante, una observación que Rubin simplemente no se esperaba. Esto se puede explicar solamente si la galaxia está embebida en una sustancia con una densidad que aumenta a medida que se acerca al centro.

Lo que observó la astrónoma, se comprobó para otras 21 galaxias, es decir que este comportamiento es genérico en nuestro Universo, y estas observaciones implican que existe materia no luminosa más allá de la galaxia.

También existe evidencia de materia oscura a escales del Universo en su totalidad. Observaciones del fondo cósmico de microondas han demostrado que es imposible reproducir ciertos resultados sin introducir una componente adicional con cinco veces más cantidad de materia de la que hay en forma de bariones.

Aunque por ahora no existe evidencia de materia oscura a escala del Sistema Solar, el comportamiento anómalo en galaxias, cúmulos de galaxias y en el Universo a gran escala permiten y obligan a los científicos seguir en la búsqueda de esta desconocida sustancia.

Después de hablar sobre las primeras evidencias de la existencia de materia oscura, Ibarra hizo énfasis en lo que le interesa más acerca de la materia oscura: la partícula que la conforma.

La partícula de la materia oscura

Se dice que la materia oscura es oscura porque no tiene carga eléctrica, hipótesis que ha sido favorecida mediante algunas observaciones.

Si su carga fuera igual a +1, por ejemplo, no estaría libre en el Universo sino que formaría un objeto exactamente igual a un átomo de hidrógeno, pero su masa podría ser mucho mayor.

Ahora, si tuviera carga negativa (-1) formaría un objeto químicamente igual al carbono, pero también mucho más pesado. “La búsqueda de estos objetos anómalamente pesados está en tensión con las observaciones, por tanto hemos concluido que la materia oscura no tiene carga eléctrica”, comentó Ibarra.

Otra de las características de la materia oscura es que no está hecha de bariones. Pues, de acuerdo con Alejandro Ibarra, “el 30% de la energía del Universo está en forma de materia y sólo el 5% de ese porcentaje está en forma por bariones, el resto debe estar en forma de una materia exótica”. Finalmente, la partícula de la materia oscura debe tener una vida media más larga que la edad del Universo.

Ninguna de las partículas que se conocen en el Modelo Estándar satisface simultáneamente estas condiciones lo cual supone una evidencia de que hay física más allá del Modelo Estándar de la Física de Partículas.

Por desgracia, dice el investigador: “sabemos muy poco, aun así existen muchos candidatos para ser la partícula que constituye a la materia oscura, uno de los más interesantes es el WIMP”.

Estas partículas masivas que interactúan débilmente o WIMP (por sus siglas en inglés) es uno de los candidatos favoritos puesto que los científicos han conjeturado que se produjeron por un mecanismo de congelación que indica dónde exactamente deben buscar a la materia oscura. Este mecanismo asume que la materia oscura es estable o, por lo menos, que tiene una vida media muy larga.

“Si el siglo XX fue el siglo en el que se descubrió la existencia de esta nueva sustancia, confiamos en que el siglo XXI será el siglo en que consigamos identificar las propiedades de la partícula de la materia oscura”, concluyó Alejandro Ibarra.