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Físicos, comienzan la caza del 2fotón oscuro” y la quinta fuerza de la Naturaleza.

El experimento pretende hallar un «fotón oscuro», la hipotética partícula portadora de una «fuerza puente» entre la materia ordinaria y el «sector oscuro» del Universo

La mayor parte de lo que existe en el Universo es totalmente invisible para nosotros. Lo poco que conocemos, en efecto, apenas incluye un escueto 5% del total de las cosas que hay «ahí fuera». El resto está desaparecido, es invisible y resulta indetectable incluso para nuestros instrumentos más poderosos. Solo conocemos su existencia a través de los efectos que su gravedad ejerce sobre la pequeña fracción de materia que sí podemos ver.

Los investigadores se refieren a ese 95% desconocido como el «sector oscuro», hipotéticamente hecho de partículas energéticas y masivas que deben por fuerza estar en alguna parte, pero que no podemos detectar ya que no interaccionan con la materia ordinaria ni emiten luz u otra radiación.

Ahora, un equipo de físicos del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia está llevando a cabo un experimento que, de tener éxito, podría cambiarlo todo. De hecho, los investigadores tratarán de «cazar» algunas de esas partículas oscuras, muy especialmente una, el llamado «fotón oscuro», que podría ser además el portador de una quinta y desconocida fuerza de la naturaleza, una que hiciera de puente entre la materia ordinaria, la que conocemos, y el misterioso sector oscuro del que lo desconocemos prácticamente todo.

Las posibilidades de éxito no son demasiadas, pero si esa quinta fuerza apareciera durante el experimento, sería uno de los descubrimientos más importantes en toda la historia de la Física. No olvidemos que la mejor teoría de la realidad de la que disponemos, el Modelo Estandar de la Física de partículas, solo nos ha servido para explicar ese casi 5% del Universo al que tenemos acceso. El resto es un misterio compuesto por materia oscura (27%), el extraño material que se aglomera alrededor de las glaxias, y la aún más misteriosa energía oscura (68%), la poderosa fuerza que, según los cienfíficos, sería responsable de que el Universo se expanda, como lo hace, de forma acelerada, cada vez más deprisa.

«Por el momento -afirma Mauro Raggi, investigador de la Universidad La Sapienza de Roma-, no sabemos de qué está hecho más del 90% del Universo. Si encontráramos esa fuerza, cambiaría por completo el paradigma que tenemos ahora. Abriría un mundo nuevo y nos ayudaría a comprender las partículas y las fuerzas que componen el sector oscuro».

Bajo la dirección de Raggi los físicos italianos, pues, se disponen a buscar las partículas portadoras de esa hipotética quinta fuerza, que se añadiría a las cuatro conocidas: electromagnetismo, gravedad, fuerza nuclear fuerte y fuerza nucler débil. En el Modelo Estándar, esas cuatro interacciones fundamentales y sus partículas portadoras bastan para explicar cualquier comportamiento del 5% de materia que conocemos y de la que están hechos todos los planetas, todas las estrellas y todas las galaxias que podemos ver en el Universo.

Resultados este año

Antes de que finalice este año, Raggi y sus colaboradores harán públicos los resultados de un sofisticado instrumento en el Instituto Nacional de Física Nuclear, situado en Frascati, muy cerca de Roma. Bajo el nombre PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment), el experimento está especialmente diseñado para dar caza a esa hipotética quinta fuerza de la Naturaleza.

Para lograrlo, PADME disparará partículas de antimateria (en concreto positrones, que son las antipartículas de los electrones) contra una delgada lámina de diamante. Y registrará la masa y las propiedades de cualquier partícula exótica que surja de las colisiones.

Un «portal» entre lo visible y lo oculto

Como se ha dicho, el grupo de Frascati se centrará principalmente en buscar el fotón oscuro, que es una versión más pesada del fotón ordinario. Predicho por varias extensiones del Modelo Estándar, esta partícula debería poder interactuar tanto con la materia oscura como con la materia ordinaria. En general, los fotones oscuros no son considerados como materia oscura, ya que llevarían relativamente poca masa y tendrían tendencia a decaer demasiado deprisa en la historia del Universo. Pero según Mauro Raggi, «proporcionarían un portal» que comunica los sectores visible y oculto del Universo.

Los fotones oscuros también se están investigando en experimentos de otros laboratorios, entre ellos el CERN en Ginebra o el Jefferson en Virginia, pero según Raggi, PADME tiene la ventaja de que podrá buscar la «masa perdida» de los fotones oscuros, lo que le permitirá detectar partículas incluso cuando no dejan tras de sí productos visibles de descomposición.

Durante el experimento, se grabarán las colisiones que se producen cuando los positrones del acelerador lineal de Frascati impacten contra los electrones de una película de diamante de apenas 100 nanómetros de grosor. Las aniquilaciones resultantes producirían, normalmente, dos fotones ordinarios, pero si el fotón oscuro existe, éste se generará junto a un único fotón visible y, a los ojos de los investigadores, parecerá haber desaparecido por completo, ya que habrá entrado en el «sector oscuro», donde no se le puede detectar. La masa del fotón oscuro, sin embargo, podrá calcularse a partir de su «pareja» visible (el fotón ordinario).

En el reino de la materia ordinaria, el fotón es la partícula que transporta la unidad mínima de la fuerza electromagnética. La hipotética partícula que persigue el experimento PADME sería su equivalente en el sector oscuro, la portadora de lo que podríamos llamar una «fuerza electromagnética oscura». Por eso, si finalmente el experimento tiene éxito, no solo habrá descubierto una nueva partícula subatómica, la primera ajena a la materia ordinaria, sino toda una nueva fuerza de la Naturaleza capaz de actuar a caballo entre la materia que conocemos y la que conforma el 95% del Universo.

Fuera del texto:

Actualmente los experimentos NA64 del CERN y DarkLight en el MIT está en búsqueda de esta partícula.

Experimento NA64

Este experimento consiste emitir un haz de electrones sobre un detector. Las interacciones de estas partículas con los núcleos atómicos en el detector poducen fotones visibles. Por el principio de conservación de la energía, la propia de los electrones incidentes debe ser igual a la de los fotones emitidos. La discrepancia entre estas dos medidas ponen en evidencia la existencia de fotones oscuros que llevan la energía faltante.

Experimento DarkLight

El experimento DarkLight, acrónimo para “Detecting A Resonance Kinematically with eLectrons Incident on Gaseous Hydrogen Target”, se está llevando a cabo en las instalaciones del Jefferson Lab, Virginia, Estados Unidos. Utiliza un haz intenso de electrones en la búsqueda de un fotón pesado, A’ mediante la búsqueda de una resonancia a la masa del A’ en el espectro de masa invariante del electrón-positrón.

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