El estado actual de la cuestión es que los cosmólogos creen saber que hay una gran cantidad de materia oscura en el Universo y, han conseguido eliminar la candidatura de cualquier tipo de partícula ordinaria que conocemos. En tales circunstancias no se puede llegar a otra conclusión que la materia oscura debe de existir en alguna forma que todavía no hemos visto y cuyas propiedades ignoramos totalmente.

A los teóricos nada les gusta más que aquella situación en la cual puedan dejar volar libremente la imaginación sin miedo a que nada tan brusco como un experimento u observación acabe con su juego. En cualquier caso, han producido sugerencias extraordinarias acerca de lo que podría ser la “materia oscura” del universo.

La forma en que llevan este asunto es esta: toman una teoría en boga de modo general acerca de la interacción de los constituyentes fundamentales de la materia y notan que la teoría requiere o permite la existencia de algún tipo de partícula nueva. Se examinan las exigencias de la naturaleza de esta partícula aún no descubierta, y si puede desempeñar el papel de materia oscura fría (resulta que desde el punto de vista de la creación de la estructura observada en el Universo, la característica más importe del proceso de desaparejamiento para la materia oscura es la velocidad de las partículas cuando son libres. Si el desaparejamiento tiene lugar muy pronto en el Big Bang, la materia oscura puede salir con sus partículas moviéndose muy rápidamente, casi a la velocidad de la luz.

Si es así decimos que la materia oscura está caliente. Si el desaparejamiento tiene lugar cuando las partículas están moviéndose poco a poco –velocidad significativamente menor que la de la luz- decimos que la materia está fría) o caliente y a partir de ahí se anuncia con gran fanfarria que el constituyente último del universo ha sido descubierto.

Eso que llamamos materia oscura, incluso, podría ser la Gravedad que nos llega desde otros universos que, vecinos del nuestro, inciden en toda la materia de éste. ¿quién sabe ahora mismo la verdad?

De esta manera se vinieron a unir la física de partículas y la cosmología y la existencia de cada partícula que, en cada teoría fueron sugeridas originalmente por razones que nada tienen que ver con la estructura del universo. El estudio de sus propiedades estaba impulsado únicamente por las exigencias internas de las teorías que se forjaban para explicar las interacciones entre partículas fundamentales. Sólo después de que esos pasos se habían completado se comprendió que esas partículas podían desempeñar un papel cosmológico.

En relación a la materia oscura relacionadas con eso que llaman WIMPs, como posibles candidatas a ser las constituyentes de la materia oscura (WIMP, un acrónimo de Partícula Masiva de Interacción Débil). Claro que, habrá que considerar a los estimables candidatos sugeridos en los últimos años, y, por otra parte, habría que considerar aquellos que no son estimables como posibles candidatos. Pero antes de comenzar este ejercicio de imaginación, me gustaría subrayar enfáticamente una cosa: ninguna de las formas de materia que se mencionaran –ni una sola- ha sido vista nunca en un laboratorio. Pueden pensar ustedes que tienen que existir, incluso pueden alegar que si hubiésemos buscado suficientemente las hubiésemos encontrado; pero algún científico medieval pensaba lo mismo del unicornio.

Universos burbuja. Cada disco es un universo burbuja; los Universos 1 al 6 poseen distintas constantes físicas, correspondiendo nuestro universo a una de dichas burbujas.

Como la descripción de posibilidades más exóticas nos conducirá a algunas regiones bastante abstractas de la física de partículas elementales, el lector que desee ahorrarse la aventura puede saltar directamente hacia delante, exactamente al lugar donde he enumerado los candidatos a la materia oscura y sus propiedades.

                         Súper-simetría, Súper-cuerdas

El mayor número de candidatos para la materia oscura surge de un principio conocido como supersimetría. Las teorías que presuponen la supersimetría son aquellas que unifican las cuatro fuerzas; las teorías últimas que gobiernan el primer instante de la vida del universo. En la frívola jerga de la moderna cosmología, algunas veces se habla de ella como TOE, la Teoría de Todas las Cosas.

¿Qué es la supersimetría?

Cuando la materia se rompe en sus constituyentes últimos, reconocemos dos tipos de partículas elementales. En primer lugar están los Quarks y partículas como el electrón (leptones) que constituyen la materia sólida.

Estas partículas están agrupadas bajo el término general de “fermiones”, por Enrico Fermi, el físico italo-norteamericano que fue el primero en investigar sus propiedades. Se caracterizan por el hecho de que giran alrededor de sus ejes de rotación a ritmos que son fracciones semienteras de una unidad básica de rotación. En otras palabras, tienen un spín ½, 3/2, etc., pero nunca 1, 2,… y responden a la estadística de Fermi-Dirac.

La segunda clase de partícula se llama “bosones”, por el físico indio S.N. Bose. Estas partículas tienen un spín 0, 1, 2, etc. A diferencia de las fermiones, no son parte de la estructura de la materia sólida. Por el contrario, saltan entre otras partículas, creando las fuerzas que ligan a la materia (o, en ocasiones, la separan). El Bosón más familiar es el fotón, la partícula asociada con la luz ordinaria. Cuando los fotones son intercambiados hacia delante y hacia atrás entre dos partículas cargadas (por ejemplo, un electrón y el núcleo alrededor del cual gira), el cambio crea las fuerza eléctrica familiar.

La supercuerda, esa Teoría del Todo

Así pues, se puede pensar en el átomo como manteniéndose unido por los protones, que son intercambiados entre los electrones y el núcleo. Es en el átomo donde podemos ver más claramente los papeles de los dos tipos de partícula. La estructura del átomo –la materia sólida de que está hecho- de electrones, protones y neutrones. Todos ellos son fermiones. Lo mismo que los Quarks, que forman los protones y neutrones. Pero estas partículas son mantenidas juntas en su estructura por el constante intercambio de Bosones. Igual que los fotones mantienen los electrones en órbita, partículas análogas llamadas gluones mantienen juntas las partículas en el núcleo.

Lo interesante sobre los fermiones y Bosones es esto: nunca vemos en el laboratorio una interacción en la que un tipo de partícula se cambie en otra. En otras palabras, parece que hay un muro impenetrable entre las dos clases de partículas, pues están divididas para siempre de acuerdo con la función que llevan a cabo. Esta distinción debe haberse mantenido desde que las Gravedad se separó de las otras fuerzas, un momento en el que el universo tenía 10ˉ⁴³ segundos de edad.

Una sencilla imagen que nos habla de la unidad fundamental de la materia que, conforma todo lo que vemos y que puebla nuestro Universo. Sin la Materia, sí que ésto sería un Universo vacío, o, no sería.

Por diversas razones técnicas resulta que, si queremos redactar la teoría unificada última, una teoría en la que la gravedad sea tratada del mismo modo que todas las otras fuerzas, debemos introducir reacciones en las que los fermiones puedan convertirse en Bosones y los Bosones en fermiones. En efecto, la distinción entre las partículas como estructura y las partículas como fuerza no debe de haber estado presente cuando el universo nació, y debe haber aparecido después de la primera congelación, cuando la gravedad se separó de todas las otras fuerzas. (Debemos observar que, cuando las partículas se pueden convertir unas en otras en cualquier tipo de interacción, los físicos piensan que son las mismas partículas. De forma semejante que ustedes son las mismas personas vestidos con traje de negocios o con el chándal de correr).

Un mundo en el que no se mantenga la distinción entre Bosones y fermiones se dice que es supersimétrico. Sería un mundo de simplicidad total, porque sólo habría un tipo de partícula, y constituiría tanto la estructura como la fuerza. El modo más prometedor de comprender los orígenes del universo parece implicar teorías que postulan que todo comenzó en un estado supersimétrico.

Tales teorías predicen también que en el comienzo, cuando el universo era supersimétrico, había compañeros –imágenes en el espejo, por así decirlo- de todas las partículas familiares. Sabemos que hoy en nuestro mundo hay un Bosón llamado fotón que genera la fuerza eléctrica. Las teorías de supersimetría dicen que antes de que la Gravedad se congelara separándose de las otras fuerzas, había otra partícula, idéntica al fotón en todo, excepto que tenía un spín de ½ en lugar de 1. Esta otra partícula, llamada fotino, era un fermión. En el universo joven esta partícula y el fotón se podían transformar la una en la otra.

Cuando la Gravedad se separó de las otras fuerzas la simetría entre Bosones y Fermiones desapareció y la primera simplicidad del universo se perdió. Desde el punto de vista de las partículas, esta pérdida de simetría se manifestó en un proceso en el cual el fotino se hizo más masivo, mucho más pesado que el protón. Las teorías predicen que en el universo actual hay un tipo de mundo espejo formado por los compañeros supersimétricos de todas las partículas que vemos normalmente. Por ejemplo, sabemos que hay una partícula llamada electrón, pero las teorías nos dicen que también sería posible un análogo supersimétrico del electrón que tenga spín 1 en lugar de spín ½ y sea muy masivo. Esta partícula se llama selectrón. También se supone que hay Squars (los análogos de los quarks), sneutrinos (análogos de los neutrinos), y así sucesivamente. Quizá hay incluso shombres y smujeres, aunque las teorías aún no han planteado la cuestión, al menos que yo sepa.

Ahora bien, esas teorías no exigen que las partículas supersimétricas se congreguen en los mismos lugares que la materia ordinaria. Ni tampoco nos dan ninguna noción firme de cuanta masa se supone que tiene una cosa como el fotino, aunque la opinión corriente es que el fotino es probablemente al menos cuarenta veces más masivo que el protón. Al mismo tiempo, las teorías requieren que, una vez rota la simetría, la interacción entre el mundo supersimétrico y el nuestro debe ser muy débil. Todas las “spartículas” deberían ser mucho más esquivas que el neutrino, e imposibles de detectar directamente con nuestra tecnología actual (dejando aparte al LHC que, en este campo, si en verdad existen esas partículas, podría darnos alguna sorpresa).

Con todas estas propiedades, las partículas supersimétricas son candidatos perfectos para la materia oscura. Son masivas, así que pueden ejercer una fuerza gravitatoria. Interaccionan débilmente, así que no interferirían con el funcionamiento normal de cosas como estrellas o aceleradores de alta energía. ¿Qué más se podría pedir?

La realización más a la moda de la idea de la supersimetría está contenida en lo que se llaman teorías de “supercuerdas”. En estas teorías los constituyentes básicos de todas las partículas son diminutas cuerdas de materia muy densa enterradas dentro de una especie de nube esponjosa de materia que forma las capas exteriores de las partículas familiares.

Las cuerdas son muy pequeñas, pues no tienen más de 10ˉ³³ cm de largo. El tipo de cuerda que se supone forma el corazón de la materia tiene de este modo la misma relación de tamaño que un protón que la tenemos nosotros con una galaxia pequeña. En las primeras teorías formuladas de cuerdas, los fermiones correspondían a lazos, mientras que los Bosones corresponden a cuerdas abiertas. Incluso los quarks se supone que están formados de cuerdas si se los mira lo bastante cerca.

Si suponemos que el corazón de la materia tiene algún tipo de estructura fibrosa, entonces existe una útil analogía que nos ayuda a comprender como debe comportarse la materia (particularmente materia supersimétrica). Todos hemos podido ver y oír lo que ocurre cuando se tañe una cuerda de guitarra, y, podríamos pensar que si se “tañe” una supercuerda, ésta también puede vibrar (como la cuerda de la guitarra) de muchos modos diferentes y, cada uno de estos modos tendrá una energía y una masa diferentes de los otros. Entonces, cuando miramos una supercuerda vibrando, vemos algo que tiene masa, y una masa diferente de una cuerda vibrante a otra. Pero esto es precisamente lo que vemos cuando miramos partículas diferentes, pues también tienen diferentes masas. Esto explica uno de los principios centrales de la teoría de supercuerdas.

Cada uno de los infinitos modos posibles de vibración de la cuerda corresponderá a una partícula diferente; así esperamos que haya un número infinito de partículas posibles en el mundo.

                           El Universo misterioso, ¿Cuantos secretos esconde?

Esta idea también nos conduce a sospechar que, si una cuerda es pulsada (por ejemplo al añadirle energía una colisión de alta energía), los armónicos más altos finalmente se extinguirán, dejando sólo el modo fundamental de vibración. Éste es un punto importante, porque significa que si buscamos partículas supersimétricas, es fácil que encontremos sólo las correspondientes al modo fundamental de oscilación, que interpretamos como partículas supersimétricas de la masa más baja. Claro que, lo dicho hasta ahora aunque pueda parecer algo caprichoso, no es nada si lo comparamos con el hecho de que, además, estas cuerdas no pueden vibrar en las tres dimensiones ordinarias, ni siquiera en un mundo de cuatro dimensiones de Einstein. Las teorías de cuerdas nos dicen que estas deben vibrar en 10, 11 o 26 dimensiones ( ¿Están seguros de querer seguir leyendo todo esto en lugar de saltar y pasar al resumen final? )

Nunca hemos podido (en nuestro mundo físico y “real”) el poder visualizar más de tres dimensiones, pues no se puede hacer. Nuestro mundo y nosotros mismos somos tridimensionales y, situarnos en un mundo de más dimensiones resulta imposible, ni siquiera mentalmente lo podemos conseguir. Los teóricos se ven obligados a considerar este tipo de cosas porque sólo en muchas dimensiones las teorías que ellos escriben evitan tener algo llamado anomalías. La definición técnica de este término no importa: un matemático reacciona a una anomalía en sus ecuaciones como ustedes reaccionarían cuando el banco les comunica que se han sobrepasado a la hora de extender cheques de su cuenta corriente. Las anomalías son mala cosa y deben ser evitadas a toda costa, aunque esto signifique (en el caso de estas teorías) tener que amontonar las dimensiones.

Sin armar un alboroto respecto a la multidimensionalidad, me gustaría decir que no existe ninguna razón por la que debamos esperar librarnos de las anomalías en ninguna dimensión. La solución que encontraron los teóricos es parecida a la que ustedes encontrarían si descubrieran que podrían equilibrar su cuenta si utilizasen para los cheques papel con diez, once o veintiséis líneas, pero no en cualquier otra circunstancia.

Claro que, todo esto, tanto a ustedes como a los físicos, los dejaría envueltos en una sensación de misterio. Naturalmente, la multiplicidad de las cuerdas nos conduce a otro problema. Después de todo vivimos en un mundo de cuatro dimensiones (si le otorgamos al tiempo la categoría de dimensión). Para resolver esta disparidad, los teóricos de supercuerdas postulan que cuando la gravedad se congeló, las dimensiones extras sufrieron un proceso llamado “compactificación”. Como el nombre indica, la teoría predice que las dimensiones sobrantes “se ensortijaron” de forma que el mundo parece cuatridimensional a menos que se lo mire a una escala realmente fina.

¿Qué vamos a hacer con las supercuerdas? Por un lado proporcionan una Teoría de Todas las Cosas verdaderamente bella y elegante. Ofrecen un esquema en el que todas las fuerzas aparecen en pie de igualdad, la realización última del sueño de Einstein. Incluso tienen la ventaja de que en algunas versiones la gravedad se unifica con todas las otras fuerzas de forma que describen fuerzas unificadas incluso en nuestro mundo actual.

Está claro que los teóricos han llegado mucho más lejos que los experimentadores que, llegados a este punto, no pueden verificar dichas teorías de cuerdas por falta de las herramientas necesarias para ello y que, principalmente estaría referida a la no disponibilidad de la energía necesaria para poder llegar a esas cuerdas vibrantes que requieren la energía de Planck de 10¹⁹ GeV, cosa que, de momento es impensable en este mundo nuestro que, ya ha quedado asombrado cuando hablamos de la posibilidad de los 14 TeV del LHC. Algunos dicen que la teoría de cuerdas no es de nuestro tiempo y nos hemos adelantado a los acontecimientos del futuro. ¡Ya veremos!

Un posible resultado asombroso delas teorías de las supercuerdas es que pueden dar lugar a otro tipo más de materia oscura. Allí, las ecuaciones parecen sugerir que en el tiempo de Plankc (Tp = 10ˉ⁴³ segundos –en la cosmología del Big Bang, hasta un tiempo de Planck después del instante inicial, es necesario utilizar una teoría cuántica de la gravedad para describir la evolución del universo-) el universo se dividió en dos partes separadas. Está nuestro mundo con su complemento entero de partículas y compañeras supersimétricas y hay, además, un mundo de sombra. La materia en este mundo de sombra tiene un parecido con la del nuestro en que también tienen sus partículas y “spartículas”. Dentro de cada mundo, las partículas interaccionan unas con otras a través de un complemento entero de cuatro fuerzas. Sin embargo, las partículas de un mundo pueden interaccionar con la del otro sólo a través de la fuerza de gravedad. Un electrón y un electrón de sombre pueden estar uno cerca del  otro y no sentir una fuerza eléctrica, aunque cada uno de ellos lleve consigo su propia versión de carga eléctrica. La única fuerza entre los dos sería la fuerza relativamente débil de la gravedad.

La idea de un universo en sombra nos proporciona una manera sencilla de pensar en la materia oscura. El universo dividido en materia y materia se sombra en el Tiempo de Planck, y cada una evolucionó de acuerdo con sus propias leyes. Es de suponer que algún Hubble de sombra descubrió que ese universo de sombra se estaba expandiendo y es de suponer que algunos astrónomos de sombras piensan en nosotros como candidatos para su materia oscura.

¡Puede que incluso haya unos ustedes de sombras leyendo la versión de sombra de este trabajo!

Otro de los WIMPs favoritos se llama axión. Como el fotino y sus compañeros, el axión fue sugerido por consideraciones de simetría. Sin embargo, a diferencia de las partículas, sale de las Grandes Teorías  Unificadas, que describen el Universo en el segundo 10ˉ³5, más que de las teorías totalmente unificadas que operan en el tiempo de Planck.

Durante mucho tiempo han sabido los físicos que toda reacción entre partículas elementales obedece a una simetría que llamamos CPT. Esto significa que si miramos la partícula de una reacción, y luego vemos la misma reacción cuando (1) la miramos en un espejo, (2) sustituimos todas las partículas por antipartículas y (3) hacemos pasar la película hacia atrás, los resultados serán idénticos. En este esquema la P significa paridad (el espejo), la C significa conjugación de carga (poner las antipartículas) y T la reversa del tiempo (pasar la película al revés).

Se pensaba que el mundo era simétrico respecto a CPT porque, al menos al nivel de las partículas elementales, era simétrico respecto a C, P y T independientemente. Ha resultado que no es éste el caso. El mundo visto en un espejo se desvía un tanto al mundo visto directamente, y lo mismo sucede al mundo visto cuando la película pasa al revés. Lo que sucede es que las desviaciones entre el mundo real y el inverso en cada uno de estos casos se cancelan una a la otra cuando miramos las tres inversiones combinadas.

Aunque esto es verdad, también es verdad que el mundo es casi simétrico respecto a CP actuando solos y a T actuando solo; es decir, que el mundo es casi el mismo si lo miran en un espejo y sustituyen las partículas por antipartículas que si lo miran directamente. Este “casi” es lo que preocupa a los físicos. ¿Por qué son las cosas casi perfectas, pero les falta algo?

La respuesta a esta cuestión parece que puede estar en la posible existencia de esa otra partícula apellidada axión. Se supone que el Axión es muy ligero (menos de una millonésima parte de la masa del electrón) e interacciona sólo débilmente con otra materia. Es la pequeña masa y la interacción débil lo que explica el “casi” que preocupa a los teóricos.

Los cálculos de los cosmólogos muestran que en un universo en expansión sería de esperar que los axiones formen una radiación de fondo parecida a la radiación de microondas de fondo de tres grados. Las irregularidades de este fondo de axiones son los que pueden desempeñar el papel de la materia oscura.

Llegados a este punto y algo mareado de tantos conceptos, partículas y tipos de universos, dejaré este comentario como primera parte y, el resumen o enumeración de los candidatos a la materia oscura, junto con una breve descripción de sus propiedades y una corta explicación de por qué se cree que existen, lo dejaré para la próxima entrada.

A continuación enumero los candidatos a la materia oscura, junto con una breve descripción de sus propiedades y una corta explicación de por qué se cree que existen.

Partículas supersimétricas, fotinos, squarks y otros.

Estas partículas son predichas por las teorías que unifican todas las fuerzas de la naturaleza. Forman un conjunto de contrapartidas de las partículas a las que estamos habituados, pero son mucho más pesadas. Se nombran en analogía con sus compañeras: el squark es el compañero supersimétrico del quark, el fotino del fotón, etc. Las más ligeras de estas partículas podrían ser la materia oscura. Si es así, cada partícula probablemente pesaría al menos cuarenta veces más que el protón.

Materia de sombra

En algunas versiones de las llamadas teorías de supercuerdas hay todo un universo de materia de sombra que existe paralelo con el nuestro. Los dos universos se separaron cuando la gravedad se congeló separándose de las  otras fuerzas. Las partículas de sombra interaccionan con nosotros sólo a través de la fuerza de la gravedad, lo que las convierte en candidatas ideales para la materia oscura.

Axiones

El Axión es una partícula muy ligera (pero presumiblemente muy común) que, si existiera, resolvería un problema antiguo en la teoría de las partículas elementales. Se estima que tiene una masa menor que una millonésima parte de la del electrón y se supone que impregna el universo de una manera semejante al fondo de microondas. La materia oscura consistiría en agregaciones de axiones por encima del nivel general de fondo.

¿WIMPs en el Sol?

A lo largo de todo el trabajo se ha dado a entender que todas estas partículas candidatas a materia oscura de la que hemos estado hablando, son puramente hipotéticas. No hay pruebas de que ninguna de ellas se vaya a encontrar de hecho en la naturaleza. Sin embargo sería negligente si no mencionase un argumento –un diminuto rayo de esperanza- que tiende a apoyar la existencia de WIMPs de un tipo u otro. Este argumento tiene que ver con algunos problemas que han surgido en nuestra comprensión del funcionamiento y la estructura del Sol.

Creemos que la energía del Sol viene de reacciones nucleares profundas dentro del núcleo. Si éste es el caso en realidad, la teoría nos dice que esas reacciones deberían estar produciendo neutrinos que en principio son detectables sobre la Tierra. Si conocemos la temperatura y composición del núcleo (como creemos), entonces podemos predecir exactamente cuántos neutrinos detectaremos. Durante más de veinte años se llevó a cabo un experimento en una mina de oro de Dakota del Sur para detectar esos neutrinos y, desgraciadamente, los resultados fueron desconcertantes. El número detectado fue de sólo un tercio de lo que se esperaba. Esto se conoce como el problema del neutrino solar.

La segunda característica del Sol que concierne a la existencia de WIMPs se refiere al hecho de las oscilaciones solares. Cuando los astrónomos contemplan cuidadosamente la superficie solar, la ven vibrar y sacudirse; todo el Sol puede pulsar en períodos de varias horas. Estas oscilaciones son análogas a las ondas de los terremotos, y los astrónomos llaman a sus estudios “sismología solar”. Como creemos conocer la composición del Sol, tenemos que ser capaces de predecir las propiedades de estas ondas de terremotos solares. Sin embargo hay algunas duraderas discrepancias entre la teoría y la observación en este campo.

No hace mucho que los astrónomos han señalado que si la Galaxia está en realidad llena de materia oscura en la forma de WIMPs, entonces, durante su vida, el Sol habría absorbido un gran número de ellos. Los WIMPs, por tanto, formarían parte de la composición del Sol, una parte que no se había tenido en cuenta hasta ahora. Cuando los WIMPs son incluidos en los cálculos, resultan dos consecuencias: primero, la temperatura en el núcleo del Sol resulta ser menor de lo que se creía, de forma que son emitidos menos neutrinos, y segundo, las propiedades del cuerpo del Sol cambian de tal modo que las predicciones de las oscilaciones solares son exactas.

Hasta nos atrevemos a exponer una imagen en la que pretendemos distribuir los WIMPS.

Este resultado es insignificante en lo que se refiere a la existencia de WIMPs, pero como no debemos despreciar las coincidencias halladas, lo más prudente será esperar a nuevos y más avanzados experimentos (SOHO y otros). Tanto el problema del neutrino como las oscilaciones se pueden explicar igualmente bien por otros efectos que no tienen nada que ver con los WIMPs. Por ejemplo, el tipo de oscilaciones de neutrinos podría resolverse si el neutrino solar tuviera alguna masa, aunque fuese muy pequeña, y diversos cambios en los detalles de la estructura interna del Sol podrían explicar las oscilaciones. No obstante estos fenómenos solares constituyen la única indicación que tenemos de que uno de los candidatos a la materia oscura pueda existir realmente.

Toda esta charla sobre supersimetría y teoría últimas da a la discusión de la naturaleza de la materia oscura un tono solemne que no tiene ningún parecido con la forma en que se lleva en realidad el debate entre los cosmólogos. Una de las cosas que más me gusta de este campo es que todo el mundo parece ser capaz de conservar el sentido del humor y una distancia respecto a su propio trabajo, ya que, los buenos científicos saben que, todos los cálculos, conjeturas, hipótesis y finalmente teorías, no serán visadas en la aduana de la Ciencia, hasta que sean muy, pero que muy bien comprobadas mediante el experimento y la observación y, no una sino diez mil veces antes de que puedan ser aceptadas en el ámbito puramente científico.

Posiblemente, el LHC nos pueda decir algo al respecto si, como no pocos esperan, de sus colisiones surgen algunas partículas supersimétricas que nos hablen de ese otro mundo oscuro que, estando en este, no hemos sabido encontrar hasta este momento. Otra posibilidad sería que la tan manoseada materia oscura no existiera y, en su lugar, se descubriera otro fenómeno o mecanismo natural desconocido hasta ahora que, incidiendo en el comportamiento de expansión del Universo, nos hiciera pensar en la existencia de la “materia oscura” para cubrir el hueco de nuestra ignorancia.

emilio silvera

[?]

En nuestro Universo existen cosas extrañas que, seguramente, cuando sepamos más, sabremos su explicación: ¿Por qué no hay anti-bariones primordiales en el Universo mientras que hay un barión por cada mil millones de fotones?, dicho de otra manera, el origen de la materia. Claro que, para explicar este hecho necesitamos comprender como se comportaba nuestro Universo a temperaturas tan altas como un billón de grados.

Las interacciones entre partículas elementales (interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes) están clasificadas por su entidad (constantes de acoplamiento) y por las partículas “transportadoras” de las mismas (partículas de spín=1 0 bosones de gauge) . Todas ellas están bellamente descritas por lo que se conoce habitualmente como Modelo Estándar de las interacciones electrodébiles y fuerte. Estamos deliberadamente dejando al margen las interacciones gravitatorias que, al menos a nivel clásico, están perfectamente descritas por la Teoría de la Gravitación o Relatividad General formulada por A. Einstein en 1915 y 1916.

El Modelo Estándar nos dice que las partículas elementales, cuya interacción se detecta en particular en los grandes aceleradores como el Large Hadrón Collider (LHC) que está funcionando el el CERN (Ginebra-Suiza), no son los átomos, ni los núcleos atómicos, ni siquiera los protones y neutrones de los que están constituidos, sino los Quarks, de los que están compuestos neutrones y protones, los leptones  cargados eléctricamente (partículas ligeras como los electrones que están en la corteza de los átomos o muones que aparecen en ciertas desintegraciones), los leptones neutros o neutrinos (partículas enigmáticas con una masa pequeñísima comparada con el resto del espectro) y partículas transportadoras de las interacciones como fotones (cuanto de luz) transportadores de las interacciones electromagnéticas, los bosones W+, W- y Z0 que transportan las interacciones electrodébiles y los Gluones que transportan la interacción fuerte.

Partiendo de los Quarks, se conforma el núcleo hecho de protones y neutrones. Los Quarks, confinados dentro de estos nucleones, quedan sujetos por la fuerza fuerte a través de las partícuals mediadoras, los Gluones. Para formar el átomo, se necesitan electrones que, rodean el núcleo en número igual al de protones que contiene, y, como el protón está cargado eléctricamente con fuerza positiva, ésta se equilibra mediante la negativa de la misma potencia que aportan los electrones. De esta manera, el átomo queda debidamente estabilizado para poder unirse a otros para formar células que, a su vez se unen para formar moléculas que, a su vez, se juntan para formar materia.

Todas estas partículas de las que podemos hablar ya han sido descubiertas, mientras que la única incógnita del Modelo Estándar reside en el mecanismo por el que los fermiones elementales y ciertas partículas transportadoras de las interacciones como la W y Z adquieren masa. La Teoría de la “ruptura expontánea de simetría electrodébil” implica que tiene que existir una partícula aún no descubierta, el Bosón de Higgs, que es responsable de que las anteriores partículas, incluida ella misma, sean masivas.

¿Cómo será ese Bosón de Higgs y, de qué mecanismo se vale para dar masa a las demás partículas?

Todos hemos oido hablar hasta la saciedad de que el Bosón de Higgs debe ser descubierto por el Colisionador LHC y tal descubrimiento añadiría una buena ráfaga de luz sobre algunos enigmas, propiedades no bien conocidas de las interacciones débiles. Ahora que dicen haberlo encontrado, al menos de momento, no parece que se tengan noticias de ninguna nueva revolusión de la física. ¡Habrá que esperar!

El Modelo Estándar es pues la estructura matemática que describe las interacciones entre las partículas elementales conocidas. El Modelo Estándar, como cualquier otra teoría física, tiene que ser capaz de describir de froma correcta los datos experimentales que son los que realmente establece el veredicto último de una teoría.

En particular el Modelo Estándar ya ha sido (y está siendo) ampliamente contrastado con los datos experimentales de las colisiones de altas energías, como el Large Electrón Positrón (LEP) que estuvo funcionando en el CERN hasta el año 2000 y el Tevatrón que está en funcionamiento en el Laboratorio Fermilab (En Chicago, Illinois, USA), así como en aceleradores de baja energía.

El Tevatron, que ha sido el acelerador de partículas más potente del mundo hasta que entró en funcionamiento el LHC europeo, cerró el pasado 30 de de septiembre de 2011, de forma definitiva, tras 26 años de operación.

El resultado obtenido es que el acuerdo entre la teoría y los resultados experimentales es concluyente, llevándose el acuerdo hasta niveles de 0,1%. Sin embargo, a pesar de que los resultados experimentales no indiquen apenas fisuras en el Modelo Estándar existen motivaciones acuciantes para ir más allá de éste. Está claro que, el principal objetivo del Modelo está en descubrir los orígenes de la Materia, entendiendo por tal los protones y neutrones de los que estamos hechos nosotros mismos, es decir, la materia bariónica.

En este lugar, el Fermilab, se llevan a cabo proyectos de enorme importancia para conocer lo que la materia es. Y, de la misma manera que en el CERN, se realizan colisiones de haces de partículas que reproducen aquellos momentos de la creación, el big bang en miniatura para, a partir del estudio de lo que ahí pasa, poder llegar a comprender aquellos primeros momentos que aún, mantiene, algunas regiones oscuras que no dejan ver lo que allí pasó.

Los dos problemas “experimentales” más acuciantes que presenta en estos momentos el Modelo Estándar está relacionado con los dos tipos de Materia que constituyen el Universo observable. El 17% de la Materia de nuestro Universo es materia “luminosa”, es decir, materia constituida, como nosotros mismos por protones y neutrones. Por otro lado, el 83% de nuestro universo Universo está constituido por Materia Oscura (yo prefiero decir: parece que está constituido por materia invisible que llamamos oscura), es decir, materia que ha sido detectada por el momento sólo indirectamente a través de sus interacciones gravitacionales.

De nuevo el Modelo Estándar requiere de una extensión para poder incluir candidatos a Materia Oscura.

Muchas son las noticias que saltan a los medios y que son emitidas por equipos que quieren llevarse el galardón del hallazgo de la M. O. Veamos por ejemplo uno de ellos:

24 OCTUBRE 2010. Un teórico del Fermilab y sus colegas de la Universidad de Nueva York podrían haber encontrado pistas sobre algunos de los más jugosos secretos del universo en el centro de la Vía Láctea. La materia oscura. En su análisis de los datos públicos de los rayos gamma del Telescopio Espacial Fermi, Dan Hooper, científico del Fermilab, y Lisa Goodenough, un estudiante graduado en la Universidad de Nueva York, informan que los rayos gamma de muy alta energía procedentes del centro de la Vía Láctea vienen de las colisiones de materia oscura.

“Salimos de nuestra manera de considerar todas las causas de los fondos que imitan la señal, y no se encontraron otras fuentes plausibles en astrofísica o la mecánica que se puede producir una señal como ésta”, dijo Hooper.

Un reciente trabajo, publicado en el servidor repositorio científico arXiv-pre, describe sus hallazgos. Los astrofísicos desde hace mucho tiempo postulan una amplia gama de partículas de materia oscura, incluyendo los axiones, las partículas súper pesadas y partículas que se encuentran entre: débilmente partículas masivas de interacción, o WIMPs.

Ahora nos dicen que el LHC  se prepara para poder buscar la materia oscura y, que yo sepa, el Bosón de Higgs (aunque digan lo contrario) no se ha encontrado. Al parecer han localizado una partícula que tiene todos los atributos para poder ser el Higgs pero… ¿Será él?

Claro que, la realidad es tozuda, y, nadie puede decirnos qué es la dichosa y teórica “materia oscura” de qué está hecha, cómo se formó, de qué mecanismos se vale para pasar inadvertida sin emitir radiaciones que podamos detectar, y, un sin fin de cuestiones que la hace extraña y muy exótica, hasta el punto de que podamos pensar que está y no está en este mundo. ¿No estará escondida en eso que llamamos vacío y, las partículas portadoras de la Fuerza Gravitatoria, el Gravitón, nos trae a nuestra parte del “mundo” la Gravedad que genera y que es, la que detectan los cosmólogos cuando ven que las galaxias se alejan las unas de las otras a más velocidad de la que tendrían que hacerlo si sólo existiera la materia bariónica que podemos observar?

Hablámos de los posibles candidatos a materia oscura, aquí la situación es incluso más complicada puesto que candidatos a materia oscura no han sido detectados por experimentos de física de partículas con lo que (como antes decía) su misma naturaleza nos es desconocida. Para competar el relato cabe decir que experimentos astrofísicos, en particular detección de supernovas, indican que el total de la materia anteriormente descrita (o sea luminosa y oscura) constituyen tan sólo el 28% de la densidad de energía del universo observable mientras que el resto es una energía no detectable mediante experimentos de Física de Partículas y que se conoce con el nombre de energía Oscura, que puede ser simplemente una Constante Cosmológica.

Einstein se burla de nosotros como si supiera (el muy ladino) que él llevaba razón, y, la Constante Cosmológica está ahí, presente en el Universo. La verdad es que, nos trae de cabeza, el no saber detectar dónde está la verdad para saber el camino a tomar en el futuro.

Así que, finalmente podemos concluir que el 4,6% es la materia bariónica (Supercúmulos de Galaxias, Nebulosas, Mundos, y demás cuerpos observables .-también nosotros-) y, el 17% de la densidad de materia del universo podría ser la llamada “materia oscura” . Aún cuando la proporción sea minoritaria para la Bariónica, para nosotros es prioritaria, de ella estamos hecho nosotros mismos y que, por supuesto, es la única materia que podemos detectar de forma directa, conocemos (las partículas que la conforman) sus secretos, sus parámetrtos físicos, sus masas y cargas, sus funciones dentro del contexto general y, en definitiva es la materia que está tan cerca de nosotros que, nosotros mismos somos ella.

También los pilares básicos de nuestro propio ser, son Quark y Leptones, es decir, materia bariónica. Así que, si los observadores del Universo (nosotros) somos de materia radiante y luminosa, no creo que esa “materia oscura” tenga más importancia que aquella de la que nosotros estamos formados. Más bien creo que, existe alguna fuerza (llámese constante cosmológica o de cualquier otra forma) desconocida que, se confunde con esa clase de materia. Materia, lo que se dice materia, por mí, sólo existe la que podemos ver y detectar.

Dos son los problemas esenciales que deben ser entendidos en relación con el número bariónico del Universo:

– El primero es que no hay prácticamente evidencia de antimateria en el Universo. De hecho no hay antimateria en nuestro Sistema solar y solamente aparecen antiprotones en los rayos cósmicos. Sin embargo, los antiprotones se pueden producir como producto secundarios en colisiones del tipo pp → 3p + p (en esta última p debería aparecer una rayita horizontal encima (antiprotón) pero, en mi cuadro de caracteres especiales no lo tengo) que proporcionan una abundancia de antiprotones semejante a la observada.

Así por ejemplo, resulta que se detecta un antiprotón aproximadamente por cada 3000 protones mientras que se encuentra un átomo de antihelio por cada 10000 átomos de Helio. Todos estos datos experimentales están de acuerdo con la existencia de antimateria primordial en el Universo. De hecho, la no existencia de antimateria resulta esencial para la estabilidad del mismo puesto que la materia y la materia se aniquilan entre sí produciendo radiación.

Satélite WMAP

– Una vez explicado el hecho de que practicamente no hay antimateria en el Universo, el segundo problema sería entender el origen de la densidad de materia luminosa. De hecho, utilizando los datos de la abundancia primordial de elementos ligeros, de acuerdo con la teoría de la nucleosíntesis, junto con los datos del Satélite WMAP, se deduce que hay en torno a 1 protón por cada mil millones de fotones en el Universo. Siendo nB y n γ las densidades de bariones y fotones respectivamente, se tiene que η=nB/nγ ≈ 0.61 x 10-9.

Para ser un poco más preciso podríamos decir que en 5 metros cúbicos hay un sólo barión y mil millones de fotones en promedio.

Para entender mejor cuál puede ser el mecanismo que explique la generación de materia en nuestro Universo, es decir, el parámetro η que acabamos de describir, debemos retrotraernos a la época en que el universo estaba muy caliente, poco después del Big Bang. Es decir, la llamada era denominada de la Radiación. Las partículas cuya masa es (muy) inferior a la temperatura del universo se aniquilan con sus antipartículas por las reacciones inversas a las anteriores. En este momento las partículas se comportan practicamente como si fueran de masa cero y se dice que la partícula en cuestión está en equilibrio térmico con la radiación. El Modelo Estándar Cosmológico predice una relación entre la edad del Universo (en segundos) y la temperatura del mismo (en K) que viene dada por:

en donde kB es la constante de Boltzmann. La ecuación anterior nos dice que para una temperatura próxima al GeV (equivalente a la masa del protón, que es de unos diez billones de grados, ¡el tiempo transcurrido en el universo después del Big Bang era de unas dos diez millonésimas de segundo!

Para temperasturas inferiores a la masa de la partícula, las partículas y antipartículas siguen aniquilándose en fotones, aunque el proceso inverso no puede tener ya lugar y la densidad de equilibrio térmico de partículas y antipartículas decrece exponencialmente como exp (-m/T) en donde m es la masa de la partícula en cuestión. Este proceso se termina cuando el ritmo de aniquilación de partículas y antipartículas no puede competir con el ritmo de expansión del universo (constante de Hubble H) , momento en el que las partículas y antipartículas se salen del equilibrio térmico y su densidad queda “congelada” a los valores de equilibrio correspondientes a la temperatura de”congelación” (temperatura de freezeout). Si aplicamos este proceso a los nucleones protones y neutrones) y antinucleones de masa ~ 1 GeV se puede ver como la densidad de los mismos empieza a disminuir exponencialmente para temperaturas inferiores al GeV, mientras que se salen de equilibrio térmico para temperaturas del orden de 20 MeV, para la cual la densidad de equilibrio resulta ser: nB/nγ=nB/nγ ≈ 10-18.

Esto nos demuestra que partiendo de un Universo simétrico, como hemos supuesto hasta el momento, hoy en día el Universo seguiría siendo simétrico respecto al número bariónico y, además, ¡el número de bariones sería mil millones más bajo que el que observamos! La solución de este problema sólo puede tener una respuesta: debemos abandonar la hipótesis de que el Universo era inicialmente simétrico respecto al número bariónico. La explicación podría seguir y es larga y algo compleja pero, por mi cuenta, resumo diciendo que, esa simetría no es posible, si tenemos en cuenta que, las partículas creadas después del Big Bang, al ser diferentes, también tenían diferentes masas y, tal hecho cierto, hace imposible que la expansión del Universo fuera isotrópica, así que, al expandirse anisotrópicamente, la asimetría queda servida.

Sí, podríamos decir que, la asimetría del Universo es la responsable de su diversidad. No todo es igual en el Universo. Lo son todos los protones y electrones que existen, y, también, todos los neutrones, es decir, son idénticos y simétricos los objetos de la misma familia a niveles microscópicos pero, cuando nos vamos al mundo macroscópico de las galaxias, las estrellas, los mundos o, nosotros mismos, no encontramos dos iguales.

El Universo, amigos, es una maravilla.

Agradeceré aquí la mayor aportación de D. Mariano Quirós de cuyo artículo en el Volumen 25, número 4 de la Revista de Física, encontré el Origen de la materia: bariogenesis, del que pude obtener la mayor parte del texto que aquí han podido leer.

Este trabajo fue publicado en este lugar el pasado 24 de marzo

emilio silvera

[?]