Los cazadores de materia oscura necesitan nuevas respuestas

Hace décadas, los astrofísicos rebosaban de esperanzas de descubrir la materia oscura, la masa invisible que permite a las galaxias girar mucho más rápido de lo que la gravedad de sus estrellas permitiría por sí sola. Pero las trampas subterráneas colocadas en la Tierra para capturar supuestas partículas oscuras llevan años midiendo nada más que el silencio subterráneo.

Debería haber a nuestro alrededor cinco veces más materia oscura que la materia cotidiana normal, la materia de las estrellas, los planetas y las personas. Por lo tanto, el fracaso en encontrar esta porción faltante del universo, visto más recientemente en nuevos resultados del experimento XENONnT (en el que participé), ha hecho que los físicos se apresuren a buscar una explicación. Pero la mayoría de esos intentos simplemente modifican una teoría existente o recurren a alternativas desgastadas por la batalla sólo para proponer más de lo mismo: enormes esfuerzos experimentales para construir los instrumentos más sensibles jamás vistos, sólo para que no miren nada.

Si los astrofísicos no realizan cambios grandes, nuevos y diferentes en la materia oscura, la búsqueda sólo se estancará hasta que se atrofie. Afortunadamente, la alarmante realidad de que estamos en el camino equivocado ha llevado a algunos a buscar nuevas vías de descubrimiento en lugar de recauchutar terrenos antiguos. Estas ideas más ambiciosas, a veces radicales y descabelladas, tengan o no éxito, al menos intentan tener en cuenta la terrible situación.

Una posibilidad más confusa

A medida que los detectores terrestres fallan, los físicos desesperados han comenzado a mirar al cielo en busca de respuestas. Un nuevo tipo de búsqueda de materia oscura buscaría, por ejemplo, galaxias con distorsiones sintomáticas de “materia oscura difusa”. Esta teoría considera que las partículas de materia oscura son tan increíblemente livianas que actúan como ondas en lugar de partículas. En lugar de un pequeño y localizado haz de masa disparado a través de la Tierra como una bala invisible, una partícula difusa de materia oscura está en todas partes de la galaxia a la vez, como cuando se puede sintonizar la misma estación de radio satelital tanto en Nueva York como en Los Ángeles.

A escala galáctica, la materia oscura difusa forma un baño subyacente de ondas ondulantes, que zumban juntas como una silenciosa pelusa estática. Su gravedad combinada aún mantiene unida a la galaxia, pero las partículas difusas y difusas nunca chocan contra un átomo como las partículas tradicionales, por lo que nunca se pueden ver en un detector en la Tierra, lo que explicaría nuestros fracasos experimentales hasta ahora.

Versiones de esta idea han circulado durante décadas, pero recientemente ha aparecido nueva energía a medida que los teóricos se dieron cuenta de que este tipo de materia oscura podría tener efectos característicos en las galaxias que podemos buscar con el tipo de telescopio adecuado. Por ejemplo, esta pelusa ondulada formaría picos y valles naturales en toda la galaxia como resultado de la interferencia de tantas partículas onduladas apiladas. Si seguimos cuidadosamente el movimiento de las estrellas en las galaxias, podremos ver signos de estas variaciones, lo que demuestra la naturaleza ondulante del pegamento galáctico.

Estas firmas astronómicas hacen que la materia oscura difusa sea especialmente atractiva en una era de esperanza cada vez menor para las búsquedas subterráneas de materia oscura.

Detectores gravitacionales

Algunos experimentadores ambiciosos están empezando a explorar el uso de modernos sensores mecánicos cuánticos para registrar la diminuta atracción gravitacional de partículas individuales de materia oscura que atraviesan la Tierra. Temen que la gravedad de la materia oscura pueda ser su única conexión con el mundo de la materia regular.

Pero sólo podemos medir partículas en un laboratorio si tienen otra interacción mucho más fuerte que la gravedad. Dado que la gravedad ejerce un tirón mucho más suave que cualquier otra fuerza, la gravedad de las partículas individuales es demasiado pequeña para notarla. Sólo se puede medir de forma agregada, como cuando todas las partículas de materia oscura de una galaxia atraen una estrella al unísono. Esto hace que la materia oscura basada únicamente en la gravedad sea una especie de escenario de pesadilla, ya que sería imposible detectarla directamente. O eso pensábamos.

Ahora los científicos están tratando de pensar en nuevas tecnologías que sean sensibles a una atracción gravitacional mucho más pequeña que la que pueden detectar los detectores convencionales. Los sensores mecánicos cuánticos experimentales actuales sólo pueden funcionar si las partículas de materia oscura son excepcionalmente pesadas. Pero ante la aterradora pero creciente posibilidad de que la materia oscura generada únicamente por la gravedad sea real, explorar esta vía de investigación es una necesidad que podría dar lugar a tecnologías nuevas e inventivas que puedan detectar partículas aún más ligeras.

Volver a lo básico

Una pequeña pero firme facción de la física ha sostenido durante mucho tiempo que lo que no entendemos es la gravedad, no la composición del universo. Esta idea está ganando nuevo impulso a medida que las partículas de materia oscura evaden la detección y nuestra principal evidencia sigue siendo gravitacional.

Una nueva idea en este campo proviene del físico teórico holandés Erik Verlinde, quien cuestiona la idea de que la gravedad sea una fuerza. En cambio, comienza con la observación de que la segunda ley de la termodinámica exige que la “entropía” del universo, un número que cuantifica cuán “confundidas” están las cosas, tiende a aumentar. Verlinde afirma que el fenómeno que llamamos “gravedad” es simplemente el resultado de esta tendencia: una manzana en el suelo constituye de alguna manera un mundo más conmovido que una manzana en un árbol.

Para explicar esto, recurre a una maravilla gravitacional: el agujero negro. Sabemos desde la década de 1970 que la gravedad y la entropía están relacionadas gracias a los agujeros negros. A medida que los objetos caen en un agujero negro y este crece, su entropía aumenta. Pero Verlinde realmente exploró esta conexión entre gravedad y entropía, generalizándola para demostrar que al reorganizar inteligentemente las leyes de la entropía, se pueden obtener las leyes familiares de la gravedad.

Según Verlinde, nuestra confusión sobre las leyes de la entropía con una fuerza separada nos ha llevado a malinterpretar el movimiento de las estrellas alrededor de las galaxias. Su teoría predice todo ese movimiento sin recurrir a la materia oscura. La idea se ha polarizado; Los críticos han señalado que las predicciones de la teoría de la “gravedad entrópica” eran incompatibles con las mediciones cuánticas de neutrones muy fríos, sólo para que otros teóricos salieran en defensa de Verlinde. Pero en una era en la que la esperanza de la materia oscura es cada vez menor, la polarización es buena; Más personas deberían pensar en grande y generar críticas como Verlinde.

Los experimentos sobre materia oscura de la última década se construyeron debido a la hermosa simplicidad de la hipótesis que esperaban probar. Cuando, en cambio, lo descartaron, surgió una industria artesanal que inventó versiones más complicadas de la hipótesis para explicar su evasión de los detectores actuales y justificar sus sucesores. La motivación ya no es la sencillez, sino la inercia.

Ésta es la naturaleza de la ciencia; es más fácil girar que cambiar completamente de marcha. Pero en algún momento llega el momento de hacer algo grande o irse a casa. Nuestra mejor esperanza es avanzar en nuevas direcciones, e incluso derribar pilares teóricos de larga data, para resolver el agujero más vergonzoso en nuestra imagen del universo.