¿Qué es la materia oscura y cómo sabemos que en verdad existe?

Descubrir la naturaleza de la materia oscura es una de las grandes preguntas que el ser humano tiene que resolver, comenta Eric Vázquez Jáuregui, uno de los pocos mexicanos que trabaja en la búsqueda de la esquiva materia oscura.

Esta cuestión tan esencial, ¿de qué está compuesto el universo en el que vivimos?, ha eludido a los físicos de partículas desde el siglo pasado, y se ha vuelto uno de los temas más discutidos en la física actual.

Tema al cual el físico Eric Vázquez ha dedicado casi 10 años de estudio. Originario de la Huasteca Veracruzana, realizó un posdoctorado en SNOLAB, uno de los principales laboratorios de física de partículas en el mundo, que se encuentra a dos kilómetros de profundidad, dentro de una mina activa en la ciudad de Sudbury en Ontario, Canadá.

Eric Vázquez.

Después de cuatro años de estancia posdoctoral, fue contratado para trabajar en el laboratorio, en el que permaneció por otros dos años, hasta que decidió regresar a México e incorporarse a la investigación en el Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM).

Desde entonces, su relación con SNOLAB sigue siendo estrecha; trabaja en los experimentos DEAP-1 y PICO-60, para detectar materia oscura, y en el proyecto SON+, dirigido a estudiar las características de los neutrinos. Su trabajo lo ha llevado a colaborar con el Premio Nobel de Física de 2015, Arthur B. McDonald.

El doctor Eric Vázquez explica qué es la materia oscura y describe uno de los intentos por detectarla.

Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Qué es la materia oscura?

Eric Vázquez Jáuregui (EVJ): Es un tipo de materia que no podemos ver ni detectar mediante instrumentos convencionales. Se le llamó así porque no brilla, no emite ni refleja luz.

La materia oscura es en realidad materia faltante. Hay bastante evidencia que apunta a que en realidad no sabemos de qué se compone gran parte del universo, y con una gran parte me refiero a 85 por ciento. Este es uno de los grandes misterios de la ciencia.

AIC: Si no se puede ver, ¿cómo se sabe que existe la materia oscura?

EVJ: Se sabe que existe por el movimiento de las galaxias. Las galaxias se mueven más rápido de lo que deberían y una de las explicaciones es que están girando a esa velocidad porque hay materia allí que no vemos y que las está acelerando. Otro de los indicios es la deflexión de la luz por la gravedad, que indica que existe la materia oscura.

Además, si se determina, por varios métodos, la masa de todas las galaxias y las estrellas, y el resultado se compara con modelos matemáticos y con cálculos de la abundancia de los elementos, se encuentra que la masa observada solo representa una pequeña parte de lo predicho por las ecuaciones.

Esto nos da indicios de que hay algo más en el universo que no hemos podido detectar.

AIC: ¿De qué está formada la materia oscura?

EVJ: Hasta ahora no hay una respuesta a qué puede ser la materia oscura. Hay muchos modelos que intentan explicar este misterio. Pero nosotros en SNOLAB estamos siguiendo el modelo más importante, digamos que el más popular en la comunidad científica. Este plantea que la materia oscura es un tipo de partícula.

AIC: ¿Qué es lo que se está haciendo para encontrar la materia oscura?

EVJ: Una de las cosas que hemos hecho los científicos es asumir que la materia oscura es una partícula y buscarla con el objetivo de medir sus propiedades. Dentro de este modelo explicativo, hay hipótesis que dicen que la partícula que forma la materia oscura tiene una masa millones de veces mayor que la de los neutrinos, también las hay que predicen que su masa es mucho menor y las que proponen que son las dos.

Por ello hay experimentos que buscan partículas grandes, denominadas WIMP, y experimentos que buscan pequeñas, conocidas como axions. En SNOLAB, yo trabajo en dos proyectos, denominados PICO y DEAP, en los que buscamos las partículas de materia oscura más pesadas.

AIC: ¿Cómo se puede medir una partícula que ha sido indetectable?

EVJ: Para eso se aprovecha la hipótesis de que estamos inmersos en un halo de materia oscura que no podemos ver pero que está presente en todos lados y que incluso atraviesa la Tierra. Pero a pesar de que no la podemos ver, podemos esperar que en algún momento alguna de estas partículas de materia oscura interactúe o choque con la materia que conocemos.

En SNOLAB, a la derecha Eric Vázquez, a la izquierda Arthur McDonald, premio nobel de física 2015. Foto propiedad de Eric Vázquez.

Con base en esto, una de las soluciones que hemos propuesto es utilizar un líquido con el cual la materia oscura va a interactuar. Esperamos que de las millones de partículas que estarán atravesando el líquido, alguna golpeará alguno de sus átomos y producirá una reacción de deposición de energía, que es lo que nosotros vamos a medir.

Pero existen otras interacciones que pueden darse, por ejemplo con los rayos gamma o con los neutrones, por eso estos experimentos deben estar bajo tierra y rodeados de blindajes que eviten que las radiaciones de la mina interfieran o los rayos cósmicos. En SNOLAB, los experimentos se desarrollan a dos kilómetros bajo tierra, dentro de una mina activa.

AIC: ¿Cómo funcionan los detectores de materia oscura de SNOLAB?

EVJ: Los detectores que se utilizan para esto se llaman cámaras de burbujas y son recipientes que contienen fluidos que se encuentran una temperatura ligeramente por encima de su punto de ebullición. Pero estos líquidos no entran en ebullición, es decir, no burbujean porque el contenedor en donde se encuentran es tan pulido y confinado que no existen núcleos para que el líquido se transforme en gas.

Esto quiere decir que lo único que produce burbujas en ellas es la interacción con una partícula que logre penetrar el contenedor. Entonces se toman fotos de estas burbujas y se identifica la naturaleza de las partículas según el número de burbujas y según el sonido que se produce cuando se forman las burbujas.

Cada sonido es diferente, dependiendo de la partícula que lo produce, y así, comparando los datos con los modelos de nuestros detectores, que forma parte de mi trabajo de simulación, es que podemos discriminar eventos y saber si hemos observado la materia oscura.

AIC: ¿Cuál es tu labor en los proyectos de materia oscura en SNOLAB?

EVJ: En PICO, me encargo de modelar los detectores, conocer sus respuestas, estudiar las interferencias que pueden tener, soy el responsable del grupo de simulaciones. En DEAP, formo parte del grupo de simulaciones encargado de estudiar las interacciones de neutrones, interacciones que pueden afectar las señales de los detectores.

AIC: ¿Han detectado ya la materia oscura?

EVJ: Ni nosotros ni ningún experimento en el mundo ha observado la materia oscura de manera satisfactoria. Este es un trabajo largo, pero esperamos que con uno de nuestros experimentos, que trabaja con un tanque de diez toneladas de líquido, registrando datos por varios años, logremos detectarla.

AIC: ¿En México se está haciendo algo?

EVJ: De hecho, entre los colegas de México hemos estado analizando la posibilidad de montar experimentos para buscar axions, pues buscar partículas ligeras es mucho más barato que buscar partículas grandes, o WIMP, cuyos experimentos, por su sofisticación, son los más caros.

Pero hay que considerar que empezar un experimento de este tipo toma tiempo, pues es un área en la que todavía no están trabajando los científicos nacionales y en México no hay mucho interés en ella, a pesar de estar clasificada en la revista Science como la número uno de las preguntas que debe resolver el ser humano.