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¿Son los fotones oscuros portadores de la quinta fuerza del Universo?

 

 

Un experimento de científicos del CERN trata de dar caza a estas elusivas partículas, que serían emitidas por la materia oscura

La mayor parte del Universo en que vivimos (el 95,5%) no está hecho de la materia que conocemos. De hecho, lo único que podemos ver desde la Tierra es la materia "normal", la que brilla, la que emite radiación (ya sea en el rango visible, en rayos X, en el infrarrojo, el ultravioleta o en los super energéticos rayos gamma). Pero resulta que esa materia, la "normal", solo da cuenta de un triste 4,5% de la masa total del Universo en que vivimos.

Del resto conocemos poco y nada. Los científicos lo llaman "el Universo oscuro", y sabemos que en él hay "otra clase" de materia (una que no emite radiación en ninguna longitud de onda y que, por lo tanto, nuestros instrumentos no detectan), a la que se ha llamado materia oscura. Cinco veces más numerosa que la materia ordinaria, la que sí podemos ver, la materia oscura supone otro 27% de la masa del Universo.

El restante 68,5% es aún más misterioso. Los científicos suponen que se trata de una forma de energía desconocida, pero lo suficientemente poderosa como para hacer que el Universo entero se expanda cada vez más deprisa. Cómo no, se la conoce como "energía oscura". En pocas palabras, no sabemos casi nada de ese enorme 95,5% del Universo. Ni de qué puede estar hecho, ni de las fuerzas que actúan en y sobre él.

Caza al fotón oscuro
Desde hace décadas, los científicos buscan pistas que nos revelen la auténtica naturaleza del Universo oscuro. Y uno de esos equipos de investigadores ha centrado ahora sus esfuerzos en dar caza al llamado "fotón oscuro". De hecho, esa partícula (aún no detectada) podría ser la transmisora de una "quinta fuerza" de la naturaleza hasta ahora desconocida. Y no solo eso. Esos fotones, en efecto, podrían ser tambiém los mediadores que hicieran posible la interacción entre materia ordinaria (ya saben, la que brilla) y la materia oscura.

Desde hace mucho los científicos saben que en el Universo reinan cuatro fuerzas fundamentales: gravedad, electromagnetismo, fuerza nucler fuerte (de la que depende la cohesión de los núcleos atómicos) y fuerza nuclear débil (que es responsable de la radiactividad, la forma en que la materia se descompone). ¿Cómo es posible, entonces, que exista una "quinta fuerza" de la que nunca habíamos tenido noticia?

Utilizando las cuatro fuerzas conocidas, los físicos son capaces de explicar con bastante acierto tanto el mundo subatómico como el macroscópico. No hay fenómeno, ni interacción, que no involucre por lo menos a una de esas cuatro fuerzas. Aún así, como hemos visto, hay interacciones que se nos escapan por completo. ¿Sería posible, por ejemplo, que la materia oscura ocultara también a nuestra vista nuevas fuerzas que aún no conocemos?

Ahora, un equipo de más de 50 investigadores del CERN, el gran centro europeo para la Física Nuclear, ha analizado los datos de uno de los mayores aceleradores de partículas del mundo para buscar esa extraña quinta fuerza. Los resultados de esa investigación se acaban de publicar en arXiv.

Y no, por ahora los intentos de encontrar esa quinta fuerza de la naturaleza no han dado frutos positivos.

La materia oscura, como hemos visto, no interacciona con la luz de ninguna manera. Eso significa que no absorbe luz, ni la refleja, ni la refracta, ni la dispersa, ni la emite... Para la materia oscura es como si la luz, sencillamente, no existiera. Pero sabemos que está ahí porque sí que responde por lo menos a otra de las cuatro fuerzas conocidas: la gravedad. De hecho, la fuerza gravitatoria de la materia oscura obliga a que muchas estrellas se muevan tal y como lo hacen. Y consigue también que las galaxias se mantengan unidas. Si no existiera la materia oscura, la propia rotación de las galaxias haría que sus miles de millones de estrellas se dispersaran por el espacio sin orden ni concierto.

Por eso, y aunque no podamos verla, la mayoría de los físicos cree que la materia oscura tiene que estar hecha de partículas. Desconocidas para nosotros, y muy extrañas, sí, pero partículas. Por supuesto, y como en el fondo nadie sabe a ciencia cierta de qué está hecha la materia oscura, los físicos se sienten libres para imaginar todo tipo de escenarios. Muchos piensan que, a pesar de multiplicar por cinco la masa de la materia que conocemos, toda la materia oscura estaría hecha de un único tipo de partícula. Uno que tiene masa, lo que le permite interactuar con la gravedad, pero que no es sensible a ninguna de las otras fuerzas de la Naturaleza.

Otros, sin embargo, creen que en realidad la materia oscura sí que podría relacionarse con la materia "normal" a través de la fuerza nuclear débil, y por eso un gran número de los experimentos actuales tratan de "descubrir" esa forma de relación entre las dos clases de materia. Aunque esa idea sigue considerndo solo a las cuatro fuerzas conocidas.

Otros, por último, piensan que si la materia oscura está hecha de una clase de partícula nunca vista, entonces sería razonable pensar que esa partícula misteriosa viene "empaquetada" con una nueva fuerza de la naturaleza que también nos es desconocida. O tal vez con más de una. Es posible que esa nueva fuerza solo permita que la materia oscura interactúe con más materia oscura, pero también podría ser que entrelazara la materia y la energía oscuras con la materia ordinaria. Es decir, podría ser una especie de "puente" o enlace que pusiera en contacto los sectores oscuros y "normales" de nuestro Universo.

Precisamente, una de las partículas candidatas a ser ese enlace entre las dos materias es el llamado "fotón oscuro". Por supuesto, no podemos verlo ni detectarlo, pero podría mezclarse de otras formas con nuestro mundo. En tal escenario, la materia oscura emitiría fotones oscuros, que son partículas relativamente masivas, y podría ser que, de vez en cuando, un fotón oscuro interactuara con un fotón normal, cambiando su estado de energía y su trayectoria. Desde luego, esta clase de eventos serían muy raros. De otra forma, hace tiempo que nos habríamos dado cuenta de que algo extraño estaba sucediendo con el electromagnetismo.

Naturalmente, seguiríamos sin poder ver los fotones oscuros, pero sí que podríamos medir los efectos de esas escasas colisiones con fotones normales, a los que sí podemos ver. Y eso precisamente es lo que buscaban los autores del artículo de arXiv.

En él, los físicos informan de los resultados obtenidos después de analizar a conciencia los datos de tres años de colisiones del Super Proton Sincrotón, el segundo acelerador de partículas más grande del CERN. Durante cada una de esas colisiones, las partículas que chocan se destruyen y se dividen en mil pedazos. Y es precisamente entre esos "restos" donde los investigadores buscan la evidencia del fotón oscuro.

Una falta de luz
Muchos de esos restos son electrones. En los tres años analizados, los investigadores encontraron más de 20.000 millones de electrones con energías superiores a los 100 GeV (gigaelectronvoltios). Dado que los electrones son partículas cargadas eléctricamente que interactúan a menudo entre sí, los electrones de alta energía considerados en el estudio también emitieron muchos fotones. Si los fotones oscuros existen, en ocasiones deberían interactuar con los fotones normales, robándoles energía. En el experimento, el fenómeno aparecería como una falta de luz.

Pero no hubo suerte, y no aparecieron evidencias de ningún fotón oscuro, aunque eso no descarta por completo su existencia, sino que pone ciertos límites a las propiedades permitidas de estas hipotéticas partículas. Si relmente existen, los fotones oscuros tendrán muy poca energía (menos de un GeV), y solo muy raramente interactuarían con los fotones normales.

La búsqueda, pues, continúa. Los próximos intentos tendrán muy en cuenta los resultados de este trabajo y acotarán la caza solo a los territorios concretos donde podría ocultarse la codiciada presa. Encontrarla sería el primer paso para empezar a conocer ese Universo oscuro que hasta ahora ha conseguido eludirnos.

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