¿Qué es la Materia Oscura?

Hemos visto que el Modelo Estándar de la Física de partículas describe con gran precisión el resultado de las medidas. Analizando los datos buscamos desviaciones de las predicciones o nuevas partículas que no concuerden con el modelo. Los datos aun indican que el modelo se cumple, pero sabemos que debería dejar de ser cierto en algún momento. Una de las pruebas de que no es la teoría final es la existencia de la materia oscura. La materia oscura no está predicha por el modelo. ¿Qué es la materia oscura? ¿De qué está formada y qué nos puede decir el LHC sobre su composición?

Materia OscuraEl universo que nos rodea está formado por átomos, fotones y neutrinos en grandes cantidades (materia ordinaria). Pero si sumamos toda esta materia, esta constituye tan solo el 5% de la energía total (ver gráfico abajo). Sabemos que otro 27% es materia oscura (no hablaremos de la energía oscura de la que desconocemos aun más). Qué forma la materia oscura lo desconocemos.

DM_TodayEl nombre de materia oscura viene de su débil, o nula, interacción electromagnética. Es decir, no absorbe, refleja o emite luz. Se sabe además que es estable, de otro modo, se habría desintegrado ya en otras partículas en los miles de años del universo. Pero como es energía hay una interacción que si que posee, la gravitatoria. De hecho, son los efectos gravitatorios de la materia oscura sobre la materia ordinaria han hecho posible su detección. Observaciones de supernovas, rotación de galaxias, lentes gravitacionales hicieron evidente su existencia y necesidad para conseguir un universo y galaxias como las que conocemos. Como ejemplo ilustrativo, la simulación de la colaboración illustris nos muestra los efectos de la materia oscura sobre la formación de galaxias, la diferencia entre los dos modelos, con y sin materia oscura, es impresionante. El universo tal y como lo conocemos no existiría sin la materia oscura.

En los inicios se pensó que esta materia estaría formada por objetos llamados MACHOs (objetos compactos muy masivos). Con el tiempo, las simulaciones y mediciones han hecho que se apartará esta teoría en favor de los WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Como en la mayoría de los casos los acrónimos se eligen casi antes que su equivalencia en palabras. Aplicado a personas WIMP en inglés equivale a flojo, debilucho en contraposición a MACHO. Los WIMP serían nuevas partículas con interacción muy débil pero con masa, de forma que gran cantidad de estas conseguirían explicar los efectos de la materia oscura. El valor de la masa que se baraja para estas partículas va desde pocos GeV (del orden de la masa del protón) hasta más de 10.000 GeV (orden de la energía en centro de masas del LHC).

Encontramos candidatos a materia oscura en teorías con dimensiones extra o super-simetría, algunos incluso más exóticos como los axiones. Todas estas teorías predicen partículas que no podrían decaer a otras partículas y que por lo tanto serían estables. Experimentos como LUX, COGENT o CDMS buscan activamente la interacción de estas partículas con la materia ordinaria. Los experimentos de búsqueda directa se construyen típicamente en lugares subterráneos (minas) para evitar falsos positivos producidos por la radiación cósmica o de origen humano. Ninguno de los detectores ha conseguido detectar hasta el momento nuevas partículas que puedan corresponder con la materia oscura. Pero también en el LHC se pueden buscar estas nuevas partículas. En la próxima entrada veremos como se hace.

Los vídeos que siguen son un buen resumen gráfico sobre qué es la materia oscura :

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