Esas maravillosas partículas – 20/22 – Los WIMPs

Continuamos hoy nuestro recorrido por el mundo de las partículas subatómicas en la serie Esas maravillosas partículas. En el último artículo de la serie hablamos acerca de la materia oscura que, como recordarás si leíste el artículo, es la forma chic de decir “cosas que pensamos que están ahí pero no tenemos ni idea de lo que son ni las podemos ver”.

En aquella entrada decíamos que existen dos posibilidades para explicar la materia oscura, si realmente hay algo ahí fuera que no vemos: una posibilidad es la materia oscura bariónica, fundamentalmente en forma de MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, Objetos Astrofísicos de Halo Masivos y Compactos). De esa posibilidad hablamos en el artículo anterior; es la menos interesante puesto que no requeriría de partículas subatómicas exóticas. Sin embargo, también espero que recuerdes que dijimos entonces que el nombre de MACHO era una broma debida al nombre de las partículas más representativas de la segunda posibilidad, la materia oscura no bariónica. De ellas hablaremos en la entrada de hoy: los WIMPs.

La mayor parte de las entradas de esta serie son bastante abstractas, de modo que estás avisado; además, parto de la base de que sabes lo que es un neutrino, las diferencias entre ellos y los neutrones, el concepto de vida media, etc. En resumen, si no has leído esta serie hasta ahora mi consejo es que empieces por el principio. Dicho esto, vamos con los WIMPs.

Aunque las partículas responsables de la materia oscura no bariónica –si ésta existe– sean desconocidas, de lo que nadie tiene la menor duda es de que deben tener propiedades bastante concretas para que representen un porcentaje tan grande de la masa del Universo pero no consigamos verlas. La más importante de estas propiedades es que no deben interaccionar mediante la fuerza electromagnética: deben ser neutras.

Si no lo fueran, emitirían radiación electromagnética en cuanto sufrieran aceleración, y además reflejarían parte de ella, la absorberían y emitirían de nuevo, etc. Es muy difícil para una partícula cargada permanecer “invisible”, y menos aún para una cantidad tan grande de ellas como hace falta para explicar el defecto de masa del Universo visible. Además, estas partículas hipotéticas deben tener masa – puesto que precisamente eso es lo que nos falta por ver al mirar a nuestro alrededor. Finalmente, estas partículas no deben interaccionar con la materia “normal” en la mayor parte de los casos, o hubiéramos notado su presencia hace mucho tiempo.

¿Qué opciones tenemos en el Modelo Estándar de partículas subatómicas, al que dedicamos la primera parte de esta serie? La verdad es que solamente una: ya sé que lo primero en lo que probablemente vas a pensar es en el neutrón (tiene masa y es neutro), pero recuerda que los neutrones libres son inestables, y en unos quince minutos se desintegran. Por algo se habla de materia oscura no bariónica – los neutrones son bariones, y cuando se asocian a otros bariones, como los protones, forman materia “normal”, y ya hablamos de los problemas que eso supone para explicar la materia oscura en el artículo anterior.

Existen algunas otras partículas más en el modelo estándar que no tienen carga, como algunos mesones, pero no son estables, de modo que tampoco pueden explicar la existencia de esta materia o hubiera desaparecido (convirtiéndose en materia visible y fotones) hace muchísimo tiempo. Algo parecido sucede con el bosón de Higgs: es neutro y tiene masa, pero su vida media es minúscula, con lo que no puede ser el responsable de toda la masa que falta. No, el único candidato serio del Modelo Estándar es el “neutrón pequeñito”, el neutrino.

El neutrino tiene masa, es estable, es neutro y apenas interacciona con nada: de hecho, como espero que recuerdes si leíste el capítulo dedicado a él, nos costó bastante detectarlo a pesar de que una cantidad inimaginable atraviesa la Tierra y nuestros cuerpos cada segundo. En principio, la enorme cantidad de materia que no vemos podría estar simplemente compuesta de neutrinos.

El problema es que los neutrinos tienen una masa muy, muy pequeña: por lo tanto se mueven muy, muy rápido. De ser los responsables de la materia oscura, ésta sería materia oscura caliente, es decir, compuesta por partículas que se mueven a gran velocidad. Y los modelos cosmológicos nos indican que si hubiera habido siempre tal cantidad de materia en forma de neutrinos el Universo debería ser algo mucho más homogéneo de lo que es: sin embargo, la materia (incluida la materia oscura) se encuentra “apelotonada” en galaxias y cúmulos de galaxias, algo que –según nuestros modelos actuales, que podrían estar errados– es incompatible con la materia oscura caliente.

La única solución sería la materia oscura fría no bariónica: partículas neutras, estables, que apenas interaccionen con nada y además con bastante más masa que los neutrinos, de modo que se muevan mucho más despacio y permitan la existencia de acumulaciones de materia como vemos en el Universo a nuestro alrededor. No hay ninguna partícula así en el Modelo Estándar, de modo que aceptar su existencia significa automáticamente ampliar el Modelo. Estas partículas hipotéticas serían una suerte de “súper-neutrinos”: Partículas Masivas de Interacción Débil; en inglés, Weakly Interacting Massive Particles, es decir, WIMPs.

De ahí, como dijimos en el anterior artículo, el nombre de MACHOs: en inglés, “wimp” significa “enclenque, calzonazos”. Puesto que los objetos astronómicos hechos de materia bariónica son la alternativa fundamental a los WIMPs, se les dio el nombre de MACHOs en broma, como “alternativa a los enclenques”. Pero ahora en serio, si existen, ¿cómo diablos detectar los WIMPs?

Al igual que en el caso de los neutrinos, la cosa no es sencilla. Estamos postulando la existencia de una o más partículas subatómicas que son, por definición, muy difíciles de detectar: ¡si no, ya lo habríamos hecho hace mucho tiempo y no estaríamos hablando de “materia oscura”! La única manera de detectar un WIMP es si, por pura chiripa, impacta de lleno sobre el núcleo de algún átomo, aunque esto es altamente improbable – la sección eficaz de estos impactos es minúscula.

Por otra parte, si los WIMPs realmente representan un porcentaje muy grande de la masa del Universo, probablemente están por todas partes. De hecho, los modelos actuales que proponen su existencia predicen que hasta miles de billones de ellos (1015) atraviesan cada kilogramo de tu cuerpo cada segundo: en estos modelos nuestra Galaxia (como todas las demás) está inmersa en una especie de halo de WIMPs, una niebla invisible que lo envuelve todo. Aunque la probabilidad de que choquen con algún núcleo sea minúscula, al igual que sucede con los neutrinos, hay tal cantidad de ellos que es prácticamente inevitable que alguno choque de vez en cuando.

El problema, por supuesto, es detectar el choque. Existen diversos experimentos que tratan de hacerlo, y básicamente son de tres tipos. Por un lado, un número ingente de estos WIMPs (si existen, claro) atraviesan el Sol cada segundo, y la masa de nuestra estrella es gigantesca, de modo que muchos de ellos están impactando contra núcleos de átomos del Sol en este momento. Utilizando modelos podemos predecir el tipo de partículas que se producirían en esos choques, y entre ellas deben estar neutrinos muy energéticos. El detector de neutrinos Super-Kamiokande trata de detectar estos neutrinos procedentes de impactos de WIMPs según hablamos, aunque hasta ahora no ha tenido éxito.

El segundo modo de detectar estos WIMPs es de manera similar a la que se utiliza para detectar neutrinos: cuando el WIMP choca con el núcleo atómico y éste es empujado, se mueve bruscamente y emite radiación electromagnética, es decir, fotones. Detectando estos fotones podemos saber que se ha producido ese choque: desde luego, hacen falta las mismas precauciones que para detectar neutrinos, de modo que no confundamos fotones que no tengan nada que ver con los que queremos observar.

El principal experimento de este tipo fue el DAMA/NaI se desarrolló entre 1996 y 2002 en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso, en Italia. En él se utilizaron cristales de yoduro de sodio (NaI)de unos 10 kg cada uno, rodeados de tubos fotomultiplicadores como los del Super-Kamiokande. A partir de los fotones detectados y eliminando las detecciones que se corresponden con otras causas “explicadas”, se trató de determinar la existencia de WIMPs y alguna de sus características, además de comprobar si la época del año modifica la frecuencia de detección.

No, no es que en invierno haya “lluvias de WIMPs”, pero casi: el Sol se mueve respecto al centro de la Vía Láctea a una velocidad de unos 800.000 km/h, y la Tierra con él. Si la Galaxia está envuelta en WIMPs y éstos no giran con la misma velocidad que nuestra estrella, nos movemos como un coche en la lluvia, recibiendo impactos de gotas continuos en el parabrisas (sólo que las gotas son los WIMPs, claro). Sin embargo, la Tierra gira alrededor del Sol, de modo que a veces nos movemos más rápido contra la “lluvia de WIMPs” y a veces más lentamente. Como consecuencia, es posible que la frecuencia de choques de estas partículas varíen con la época del año.

De hecho, el experimento DAMA/NaI detectó impactos contra los átomos del cristal que son compatibles con las características de los WIMPs, y verificó una variación estacional de los sucesos de detección. Sin embargo, muchos científicos no están demasiado convencidos: por un lado, no se han verificado los resultados en ningún otro detector (hay unos cuantos), y además el argumento principal del DAMA/NaI es precisamente la variación estacional, que podría tener otras razones que no fueran la “lluvia de WIMPs”, y tal vez en este experimento no se hayan descartado realmente todas las otras partículas que pueden haber producido los impactos.

Los científicos del mismo laboratorio Gran Sasso ya tienen algún detector más sensible, y están diseñando otros aún mejores, para comprobar si las detecciones del DAMA/NaI fueron engañosas o realmente hay algo detrás. Hasta ahora, los sucesores del DAMA/NaI no han encontrado nada.

Finalmente, el tercer modo de detectar estos WIMPs es notando el choque entre la partícula y el núcleo contra el que impacta como una vibración del material. Esto es, como puedes comprender, muy complicado: los átomos de cualquier material se están moviendo todo el tiempo, vibrando alrededor de sus posiciones de equilibrio e incluso “revoloteando” libremente según la fase en la que esté la materia. Notar el movimiento brusco de un átomo cuando es empujado por un WIMPno es tarea fácil pero, aunque resulte sorprendente, tampoco es imposible.

El experimento CDMS (Cryogenic Dark Matter Search, Búsqueda Criogénica de Materia Oscura) se desarrolla actualmente en la mina de Soudan, en los Estados Unidos. Allí, los científicos tienen discos semiconductores de silicio y germanio, enfriados hasta temperaturas de prácticamente el cero absoluto (tan sólo unos 0,05 K) para que sus átomos estén prácticamente quietos. Cuando una partícula penetra en el material se producen movimientos bruscos de los electrones (si la partícula está cargada), y si el impacto es contra el núcleo se produce una onda de sonido producida por ese átomo al desplazar a los que tiene alrededor en su vibración.

Sí, es exactamente lo que piensas que es: los científicos están tratando de oír a los WIMPs, aunque lo hacen midiendo las diferencias en la resistencia eléctrica del material cuando pasa la onda sonora y lo calienta levemente. Analizando los movimientos de los electrones y los núcleos, pueden determinar qué tipo de partícula ha impactado. Hasta ahora no han detectado ni el más mínimo murmullo procedente del impacto de una de estas partículas hipotéticas, pero siguen aumentando la sensibilidad del aparato todo el tiempo de modo que veremos qué pasa.

En este vídeo puedes disfrutar de una visión “acelerada” del proceso de construcción del CDMS:

Desde luego, es perfectamente posible que, según estos instrumentos aumenten su sensibilidad, lleguemos a una conclusión negativa. Los modelos de WIMPs les dan unos intervalos de valores para la masa y la sección eficaz de sus interacciones con los núcleos de los átomos ordinarios. Cada vez que el CDMS y otros como él aumentan su sensibilidad y no detectan nada, disminuyen como consecuencia la máxima sección eficaz. Es posible que llegue un momento en el que sus resultados invaliden los modelos de WIMPs de que disponemos, en cuyo caso probablemente habrá que buscar otra explicación a la materia oscura.

Si, por el contrario, confirmamos la existencia de estos WIMPs, ¿cuál sería su naturaleza y dónde encajarían con las otras partículas? Hay varias partículas hipotéticas cuyas características teóricas son compatibles con las de los WIMPs, pero el candidato teórico a WIMP más aceptado de todos será el objetivo de la siguiente entrada de la serie (en la que también hablaremos del concepto de supersimetría): el neutralino.

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Pedro Gómez-Esteban González. (2009). El Tamiz. Recuperado de: https://eltamiz.com