Al menos una cuarta parte del universo es invisible.

A diferencia de los rayos X que el ojo humano no puede ver pero el equipo puede medir, los científicos aún tienen que detectar la materia oscura después de tres décadas de búsqueda, incluso con los instrumentos más sensibles del mundo. Pero la materia oscura es tan fundamental para la física que los científicos apoyados por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía la están buscando en algunos de los lugares más aislados del mundo. desde las profundidades del subsuelo hasta el espacio exterior.

"Sin materia oscura, es posible que no existamos, "dijo Michael Salamon, un gerente de programa de Física de Alta Energía (HEP) de la Oficina de Ciencias del DOE.

La Oficina de Ciencias apoya un programa integral en la búsqueda de materia oscura y otros fenómenos que ayudan a los científicos a comprender mejor cómo funciona el universo en su nivel más fundamental.

Rastros de la influencia de la materia oscura

Lo que sí sabemos sobre la materia oscura proviene de las formas en que ha influido en el universo casi desde el Big Bang. Como huellas dejadas por un animal esquivo, el cosmos está lleno de signos de la existencia de la materia oscura, pero en realidad no hemos visto a la criatura en sí.

El astrónomo Fritz Zwicky descubrió la materia oscura en 1933 cuando estaba examinando el cúmulo de galaxias en coma. Notó que estaban emitiendo mucha menos luz de la que deberían haber sido, considerando su masa. Después de ejecutar algunos cálculos, se dio cuenta de que la mayor parte de la masa del cúmulo no emitía luz ni radiación electromagnética en absoluto.

Pero no fue solo ese grupo. Hoy dia, sabemos que la materia visible representa sólo el cinco por ciento de la masa-energía total del universo. (Como la famosa ecuación de Einstein, E =mc2, Cuéntanos, los conceptos de materia y energía están intrínsecamente vinculados.) La materia oscura constituye aproximadamente una cuarta parte de la masa-energía total, mientras que la energía oscura comprende el resto.

Desde el descubrimiento inicial de Zwicky, los científicos han encontrado una serie de otros signos reveladores. Examinando la rotación de las galaxias en la década de 1970, La astrónoma Vera Rubin se dio cuenta de que no se mueven como "deberían" si sólo existe materia visible. Su descubrimiento del problema de la rotación de galaxias proporciona algunas de las pruebas más sólidas de la existencia de la materia oscura. Similar, radiación de fondo cósmico, que tiene un registro del universo primitivo impreso en él, refleja la presencia de la materia oscura.

Los científicos piensan que la materia oscura probablemente esté formada por una partícula elemental completamente nueva que quedaría fuera del Modelo Estándar en el que encajan todas las partículas conocidas actualmente. Interactuaría solo débilmente con otras partículas conocidas, haciéndolo muy difícil de detectar. Hay dos partículas principales que los teóricos han postulado para describir las características de la materia oscura:WIMP y axiones.

Las partículas masivas de interacción débil (WIMP) serían eléctricamente neutrales y de 100 a 1, 000 veces más masivo que un protón. Los axiones no tendrían carga eléctrica y serían extraordinariamente ligeros, posiblemente tan bajos como una billonésima parte de la masa de un electrón.

A la caza de la materia oscura

La materia oscura no solo no emite luz ni radiación electromagnética, ni siquiera interactúa con ellos. De hecho, el único medio por el cual los científicos están seguros de que la materia oscura interactúa con la materia ordinaria es a través de la gravedad. Es por eso que millones de partículas de materia oscura atraviesan la materia normal sin que nadie se dé cuenta. Para capturar incluso el más mínimo vistazo, los científicos están utilizando algunos de los equipos más sofisticados del mundo.

El gran experimento subterráneo de xenón y la detección directa

El experimento Large Underground Xenon (LUX), que duró casi dos años y finalizó en mayo de 2016, fue uno de los esfuerzos más importantes para detectar directamente la materia oscura.

La detección directa de una partícula de materia oscura requiere que choque con un núcleo (el núcleo de un átomo) de materia ordinaria. Si esto ocurre, el núcleo emitiría solo un poco de energía detectable. Sin embargo, la probabilidad de que estas partículas choquen es asombrosamente baja.

Además, La superficie de la Tierra tiene una cantidad extraordinaria de "ruido" radiactivo. Intentar detectar interacciones de materia oscura en la superficie es como intentar escuchar a alguien susurrar a través de la habitación de un preescolar ruidoso.

Para aumentar las posibilidades de detectar una partícula de materia oscura y solo una partícula de materia oscura, LUX era enorme y estaba ubicado a más de una milla bajo tierra. Con un tercio de tonelada de xenón líquido enfriado rodeado por 72, 000 galones de agua y potentes sensores, LUX tenía la mejor sensibilidad del mundo para WIMP. Pudo haber detectado una partícula que varía en masa desde unas pocas veces hasta 1800 veces la masa de un protón. A pesar de todo esto LUX nunca capturó suficientes eventos para proporcionar pruebas sólidas de la presencia de materia oscura.

LUX fue lo que HEP llama un experimento de detección directa de "Generación 1". Otros experimentos de detección directa de "Generación 1" actualmente en ejecución y respaldados por la Oficina de Ciencias están tomando un rumbo ligeramente diferente. El PICO 60, Darkside-50, y SuperCDMS-Soudanexperiments, por ejemplo, buscar WIMP, mientras que el detector ADMX-2 buscaba el otro candidato potencial de materia oscura, el axión.

También hay experimentos de detección directa de "Generación 2" actualmente en diseño, fabricación, o puesta en servicio, incluido el LUX-Zeplin (LZ), Super CDMS-SNOLAB, y ADMX-Gen2.

El espectrómetro magnético alfa y la detección indirecta

Además, hay experimentos que se centran en la detección indirecta.

Algunos teóricos proponen que las partículas de materia oscura en colisión podrían aniquilarse entre sí y producir dos o más partículas "normales". En teoria, colisionar WIMP podría producir positrones. (Un positrón es la contraparte de antimateria cargada positivamente del electrón). El Espectrómetro Magnético Alfa de la Estación Espacial Internacional captura rayos cósmicos, pedazos de átomos acelerados a altas energías por la explosión de estrellas. Si el AMS detecta una gran cantidad de positrones en un espectro de alta energía donde normalmente no estaría, podría ser un signo de materia oscura.

"AMS es un hermoso instrumento, ", dijo Salamon." Todo el mundo reconoce que este es el experimento de rayos cósmicos de mayor precisión del mundo en el espacio ".

Hasta aquí, el AMS ha registrado 25 mil millones de eventos. Se encontró un exceso de positrones dentro del rango apropiado, pero no hay suficiente evidencia para establecer definitivamente dónde se originan los positrones. Hay otras fuentes posibles, como los púlsares.

Además del AMS, DOE también es compatible con el telescopio espacial de rayos gamma Fermi, que analiza los rayos gamma mientras gira alrededor del globo y puede ofrecer otra ruta para la detección de materia oscura.

Producción de materia oscura en el Gran Colisionador de Hadrones

En teoria, un acelerador de partículas podría crear materia oscura colisionando partículas estándar a altas energías. Si bien el acelerador no podría detectar la materia oscura en sí, podría buscar energía "faltante" producida por tal interacción. Científicos en el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más grande y potente del mundo, están adoptando este enfoque.

Lecciones aprendidas y el futuro de la investigación

Hasta aquí, ni un solo experimento ha arrojado un rastro definitivo de materia oscura.

Pero estos experimentos no han fallado; de hecho, muchos han tenido bastante éxito. En lugar de, han reducido nuestro campo de búsqueda. Buscar materia oscura es como buscar un objeto perdido en tu casa. Mientras caminas por cada habitación, eliminas sistemáticamente los lugares en los que podría estar el objeto.

En lugar de habitaciones, Los científicos están buscando materia oscura en una variedad de fuerzas y masas de interacción. "A medida que los experimentos se vuelven más sensibles, estamos empezando a eliminar modelos teóricos, "dijo Salamon.

La búsqueda de materia oscura está lejos de terminar. Con cada bit de datos, nos acercamos a la comprensión de este aspecto omnipresente pero esquivo del universo.