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Uno de los retos de físicos y astrofísicos en todo el mundo es localizar y definir qué es exactamente la materia oscura, uno de los tres componentes del Universo que incluyen también a la energía oscura y la materia bariónica, que es, de hecho, la única que conocemos y de la cual estamos formados nosotros y también las galaxias y las estrellas.

Pero son pocos quienes hacen esa búsqueda desde una montaña mexicana. Sergio Hernández, estudiante de maestría en el Instituto de Física, pretende hacer una búsqueda indirecta de materia oscura utilizando el observatorio HAWC de rayos gamma, ubicado en el Pico de Orizaba, liderado por el investigador del Instituto de Física Andrés Sandoval.

Su trabajo, que desarrolló bajo la tutoría del también investigador del IF Rubén Alfaro Medina, "busca pruebas que nos ayuden a entender qué es la materia oscura”,explicó en el Seminario de Estudiantes del 7 de marzo titulado "Indirect searches of Dark Matter for Dummies".

Una de las pruebas observacionales que llevaron a la conclusión de que existía la materia oscura fue la dispersión de velocidades en cúmulos de galaxias en 1930. Pues “para que existan esas velocidades, hace falta un porcentaje extra de materia y es la que se considera materia oscura”, explica Sergio.

También a escalas más pequeñas se pueden observar curvas de rotación de galaxias. En ellas, se esperaría que la rotación de velocidad para un objeto a distintos radios fuera decayendo conforme este se aleja del centro. Sin embargo, se observa que la velocidad tiende a ser constante. “Entonces, o no entendemos cómo funciona la gravedad a estas escalas, o debe haber materia oscura”, dice Hernández.

La suposición que le da vida a su trabajo de investigación es la siguiente: en los centros de las galaxias o en los objetos galácticos muy masivos debe existir una gran concentración de partículas de materia oscura. Y supone que estas partículas de materia oscura no pueden interaccionar con las partículas bariónicas pero sí interactúan --y colisionan-- entre ellas mismas.

Ahora bien, justo después de ocurridas las colisiones entre materia oscura, se producirían partículas del modelo estándar, y estas, al ser inestables, decaerían para dar como resultado otras más estables como neutrinos, fotones, electrones, protones y las respectivas antipartículas de los dos últimos, el positrón y antiprotón.

De manera que si Sergio logra encontrar alguna de estas partículas, podría comprobar --al menos parcialmente-- que la materia oscura existe.

Con ayuda del observatorio de rayos gamma HAWC, el joven investigador fija su mirada en objetos muy grandes: centros de galaxias, galaxias individuales o cúmulos galácticos, y espera observar las partículas del modelo estándar que se producirían después de que una partícula y su antipartícula de materia oscura colisionen y se aniquilen.

Aunque las más interesantes para Hernández son los fotones y los neutrinos, aún falta saber cuáles son las partículas que resultarían tras la aniquilación de materia oscura y en su decaimiento.

La energía con la que llegan tanto los fotones como los neutrinos al detector, darán una pista del lugar de dónde vienen: “en el momento en que tu recreas la trayectoria de los fotones o neutrinos que lleguen al detector, te das cuenta de que vienen de la dirección de la fuente que estás estudiando”, argumenta.

Pero Hernández se enfrenta a varios problemas, uno de ellos es la contaminación pues no todos los neutrinos y fotones que llegan a HAWC son resultado de la aniquilación de materia oscura. "Donde se cree observar aniquilación de materia oscura también se hallan otras fuentes que emiten fotones y que contaminan la señal que estamos buscando".

La solución a este pequeño detalle, comenta, está en conocer bien las otras fuentes de neutrinos y fotones, y saber qué energías tienen los que provengan de estas otras fuentes y distinguirlos de los que se estén detectando.

“La materia oscura debe concentrarse en regiones donde el campo gravitacional es muy intenso y uno de esos lugares es alrededor de los agujeros negros que se encuentran en el centro de cada galaxia”, dice.

El joven estudiante de maestría realiza simulaciones para saber cómo debe ser el flujo de fotones que se espera tras la aniquilación de materia oscura. Éste flujo se representa matemáticamente con la letra J y es un factor astrofísico de la fuente emisora que cambia dependiendo del lugar que se estudie. Suponen que la distribución de materia oscura no es uniforme sino que hay lugares en donde está más concentrado que en otras.

El factor J es sin duda la pieza clave que hará que Sergio Hernández y su equipo se acerquen, al menos, a desentrañar la fuente de sus suposiciones y conocer cómo se distribuye la materia oscura en el Universo.