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Casi todo el Universo es un misterio. Aproximadamente el 85% de la materia es oscura, invisible al ojo humano porque no emite, absorbe ni refleja luz, por lo que su búsqueda es todo un reto para la comunidad científica. Sin embargo, en el laboratorio subterráneo canadiense conocido como SNOLAB se desarrolló un detector donde se producen burbujas que actúan como cazadoras de materia oscura.

Uno de los resultados de este experimento se publicó en el artículo “Absorption of Fermionic Dark Matter in the PICO-60 C3F8 Bubble Chamber” en la revista Physical Review Letters, en julio de 2025. El proyecto fue realizado por la colaboración internacional PICO en la que colaboran el investigador del Instituto de Física de la UNAM (IFUNAM), Eric Vázquez Jáuregui, y el estudiante Rajan Anderson-Dornan.

La participación del IFUNAM fue sustancial para analizar los datos del experimento que, de acuerdo con Eric Vázquez, se construyó en 2013 y se desmanteló en 2023. Fue Rajan Anderson-Dornan quien utilizó una muestra de los datos para analizarlos en su tesis de doctorado dirigida por Vázquez. Rajan encabezó el análisis y fue el autor principal de este estudio publicado en una de las revistas de física de mayor prestigio, Physical Review Letters y que fue elegido como “Sugerencia del Editor” (Editor’s Suggestion) que destaca artículos interesantes y excepcionales.

De acuerdo con la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio (NASA, por sus siglas en inglés), la materia oscura “es el pegamento invisible que mantiene unido al Universo… Aunque la materia oscura es invisible, tiene algunas características en común con la materia ordinaria: ocupa espacio y contiene masa. Debido a esto, podemos ver cómo interactúa e influye en la materia ordinaria en todo el universo, y esta es la forma en que podemos “ver” y estudiar la materia oscura”, se lee en su página oficial.

Es por ello que, aunque la materia oscura no se puede observar a simple vista, la física trata de detectarla a través de su interacción con la materia que sí se ve. “Hay diferentes hipótesis de lo que podría ser. La gran parte de la comunidad asume que es una partícula, entonces, con base en eso, la pregunta es: ¿qué partícula es? Y el detalle es que cuando te pones a ver todas las partículas del Modelo Estándar, ninguna cumple con las características de la materia oscura, entonces debe ser una nueva partícula”, explicó Eric Vázquez.

El Modelo Estándar es la teoría aceptada internacionalmente que define cuáles son las partículas elementales que conforman la materia, sus propiedades y sus interacciones. Existen dos tipos: los fermiones (quarks y leptones), y los bosones, pero este modelo no explica de qué está hecha la mayoría del Universo.

“Implica un nuevo problema porque quiere decir que no sabemos nada, ni su masa, ni cómo es ni de qué tipo”, dice Vázquez. También asegura que la literatura científica ha propuesto algunas teorías, pero ninguna ha resuelto el misterio todavía; es por eso que los experimentos son cada vez más complejos.

Según refiere Vázquez, la falta del descubrimiento de la materia oscura ha causado que los físicos empiecen a buscar candidatos más exóticos. Una de las propuestas de PICO-60 fue realizar una búsqueda de un tipo de materia exótica que podría existir, donde al interactuar con la materia común se absorba completamente y se emita un neutrino después de la interacción.

Dado que es complicado trabajar con materia que no se puede ver, el grupo de investigadores fabricó una cámara que podría observar y escuchar señales de la presencia de materia oscura. Usando sensores de alta precisión, cámaras de video para fotografiar las burbujas y micrófonos para escuchar cuando se producen, el equipo de la colaboración PICO ha construido cámaras de burbujas por más de 20 años con el objetivo de buscar materia oscura.

La idea detrás de los detectores de PICO es utilizar un líquido en un estado metaestable, es decir, un líquido que “quiere hervir”, pero que aún no tiene suficiente energía para hacerlo. Cuando una partícula (como un neutrón o una partícula de materia oscura) choca con un átomo del líquido, puede depositar suficiente energía para iniciar el cambio de fase a gas. De esta forma, observamos una burbuja y sabemos que una partícula ha pasado por el detector.

Los miembros de la colaboración PICO fabricaron un recipiente de cuarzo de alta pureza, perfectamente sellado, para contener líquido fluorocarbonado (octafluoropropano o C3F8 ) y lo sumergieron en un tanque de agua para cumplir con dos funciones: blindar el experimento de la radiación externa y asegurar la estabilidad térmica del experimento.

Para la búsqueda de la materia oscura exótica que se reporta en la publicación, en teoría, cada vez que una partícula de materia oscura llega a la cámara, ésta es absorbida por un núcleo del C3F8 y libera un neutrino. Al ser absorbida, el núcleo lleva a cabo un retroceso, lo que deposita la energía necesaria para producir una burbuja. El neutrino, por otro lado, sale disparado del detector, sin interactuar. La burbuja se puede ver y escuchar con ayuda de las cámaras de video y de los micrófonos (sensores acústicos).

“Así como esperamos que llegue la materia oscura, también existen ruidos que vienen de fuera del detector y de sus componentes, que pueden ser rayos gamma, neutrones, decaimientos alfa u otras partículas que también pueden producir burbujas, entonces de vez en cuando puede aparecer en nuestro detector un ruido de estos”, cuenta Eric Vázquez.

De ahí que la segunda parte de la investigación requiriera un análisis minucioso de los datos registrados, es decir, cada una de las burbujas producidas durante el experimento es analizada.

Para distinguirlas, los investigadores deben poner atención en el sonido que surge de dichas burbujas. “Básicamente escuchamos cuando la burbuja se crea, la burbuja al crearse emite un sonido casi en el ultrasonido y resulta que el sonido de la burbuja del decaimiento alfa y del que esperamos producido por la materia oscura son diferentes, es más suave el sonido que en principio debe producir la materia oscura”, asegura Vázquez. Las burbujas de neutrones no se pueden diferenciar de las de materia oscura pero la estrategia es impedir su entrada a la cámara. “Esa es la razón por la cual el detector está a dos kilómetros bajo tierra, en SNOLAB, y es la razón por la que el detector está inmerso en este tanque de agua, muy poquitos de esos neutrones o casi nada llega al interior. También hay partículas que pasan golpeando y no tienen la energía suficiente para producir una burbuja y evaporar el material, que son principalmente rayos gamma, la radiación más abundante”, explica.

El estudiante de doctorado, Rajan Anderson comenta que “como no sabemos exactamente qué es la materia oscura, existen muchas posibilidades sobre cómo podría interactuar con la materia normal. Los primeros detectores buscaban principalmente interacciones elásticas, donde la materia oscura simplemente rebota con los núcleos del detector. Sin embargo, también es posible que la materia oscura pierda masa durante la interacción y libere energía de otras formas, produciendo señales diferentes”, explica.

Es exactamente este tipo de materia oscura la que se buscó en la más reciente toma de datos del detector PICO-60, como parte de su tesis de doctorado.

“En este trabajo nos enfocamos en este tipo de procesos y, usando datos de PICO, establecimos los mejores límites experimentales del mundo en ciertos rangos de masa. Por primera vez, obtuvimos límites para procesos que dependen del espín de la partícula, y mostramos que incluso datos antiguos tienen un gran potencial para estudiar nuevas interacciones relacionadas con la física de neutrinos. Con el nuevo detector PICO-500, esperamos ser aún más sensibles a este tipo de señales”, comenta Rajan.

Gracias al esfuerzo de la colaboración PICO, a la tecnología altamente sensible desarrollada y a la infraestructura de ultra bajo fondo ofrecida por SNOLAB, hoy se sabe que es posible buscar materia oscura no solo dentro de los modelos tradicionales, sino también explorar escenarios más exóticos propuestos por la física teórica.

Estos resultados demuestran que, con detectores cada vez más sofisticados y entornos experimentales excepcionales, la búsqueda de la materia oscura puede ampliarse más allá de las ideas tradicionales y abrir nuevas ventanas para entender de qué está hecho realmente el Universo.

Crédito: Fabiola Pérez/Diseño IF