El detector de neutrinos IceCube, en el Polo Sur. [Christian Krueger, IceCube/NSF.]
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Universo oscuro Abr/Jun 2016 Nº 84
¿De qué está hecho el 95 por ciento del cosmos?Hace años que los físicos saben que todos los átomos y toda la luz que existen el universo apenas dan cuenta del 5 por ciento de su contenido total de materia y energía. El 95 por ciento restante se compone de dos misteriosos agentes que, a falta de un nombre mejor, han dado en llamarse «materia oscura» y «energía oscura». Dominan el cosmos, pero ¿cuál es su naturaleza? En este número podrás encontrar una panorámica clara y rigurosa del estado actual de dos líneas de investigación que, casi como ninguna otra, evidencian lo mucho que aún nos queda por aprender sobre el universo y las leyes fundamentales que lo rigen.
Hace ya tiempo que los físicos intentan dilucidar la naturaleza de la materia oscura, la misteriosa sustancia que se cree que da cuenta del 85 por ciento de toda la materia presente en el cosmos. Su existencia puede inferirse con claridad debido a la intensa atracción gravitatoria que ejerce sobre las estrellas y las galaxias. No obstante, al no absorber o emitir radiación electromagnética, su composición sigue planteando uno de los mayores quebraderos de cabeza a los que se enfrenta la física actual.
La hipótesis mayoritaria postula que la materia oscura se compone de algún tipo de partícula subatómica aún por descubrir. Varios indicios indirectos sugieren que, aunque muy poco, dichas partículas sí deberían interaccionar de tanto en tanto con aquellas que componen la materia ordinaria. Hasta ahora, sin embargo, ninguno de los numerosos experimentos subterráneos diseñados para observar tales interacciones ha dado frutos. Y, al mismo tiempo, las partículas de materia oscura tampoco han aparecido en los aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. ¿Deberían los físicos cambiar de estrategia?
Una posibilidad que los expertos contemplan desde hace tiempo es que la materia oscura interaccione con los neutrinos, las partículas elementales más ligeras que se conocen, ya de por sí muy difíciles de detectar. Ahora, un trabajo firmado por Carlos A. Argüelles, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, y otros investigadores ha propuesto un nuevo método para poner a prueba tales interacciones con IceCube, el gigantesco telescopio de neutrinos instalado en el Polo Sur. Los resultados se publican en Physical Review Letters.
Con un descomunal sistema de detección que ocupa un kilómetro cúbico bajo el hielo de la Antártida, IceCube fue diseñado para observar neutrinos procedentes del espacio. La idea de usarlo para buscar señales de materia oscura no es nueva, ya que, si la materia oscura emitiese neutrinos, IceCube debería detectar un flujo mayor de estas partículas desde aquellas regiones donde se presume una mayor concentración de materia oscura, como el centro de la Vía Láctea.
Desde 2013, IceCube ha registrado más de 50 neutrinos cósmicos de alta energía. Sin embargo, estos no parecen proceder de ninguna dirección particular del cielo. Antes bien, todo apunta a que se trata de un flujo isotrópico de neutrinos extragalácticos. En el nuevo trabajo, Argüelles y sus colaboradores argumentan cómo aprovechar precisamente esa característica: si esos neutrinos interaccionasen con la materia oscura, una parte de ellos debería ser absorbida en el centro galáctico. Como consecuencia, el flujo de neutrinos cósmicos registrado por IceCube debería presentar un déficit de partículas en esa dirección del cielo.
«La idea es «ver la sombra» del centro galáctico debido a que los neutrinos de alta energía […] serían absorbidos por la materia oscura y no nos llegarían, o llegarían en menor cantidad», explica Carlos Pérez de los Heros, físico de la Universidad de Uppsala y miembro de la colaboración IceCube que no ha participado en el nuevo trabajo. «Es una idea interesante que los datos de IceCube no contradicen, pero que, dentro de la incertidumbre estadística actual, de momento tampoco corroboran totalmente», continúa el investigador.
Los autores explican en su trabajo que, por el momento, la baja tasa en la detección de neutrinos cósmicos no permite extraer una conclusión firme. Sin embargo, un aumento en la observación de estas partículas de alta energía sí ayudaría a obtener obtener nuevos límites sobre las interacciones entre neutrinos y materia oscura; límites que, según los investigadores, serían imposibles de alcanzar con los métodos cosmológicos actuales.
«El análisis demuestra la versatilidad de los telescopios de neutrinos, instrumentos originalmente construidos para hacer astrofísica pero que se han mostrado capaces de abordar temas muy diversos», apunta Pérez de los Heros. «El artículo demuestra que utilizar el flujo de neutrinos de esta forma es posible y nos deja con la expectativa de ver cuál será el resultado de aplicar este método a un conjunto de datos de IceCube más amplio», concluye el investigador.
Ernesto Lozano Tellechea
Referencia: «Imaging galactic dark matter with high-energy cosmic neutrinos», Carlos A. Argüelles, Ali Kheirandish, y Aaron C. Vincent en Physical Review Letters, vol. 119, art. 201801, 13 de noviembre de 2017. Una versión del artículo técnico se encuentra disponible en el repositorio arXiv.
