La era de los descubrimientos no ha terminado.

Una vez, europeos acribillados por el escorbuto navegaron hacia lo desconocido para reclamar extranjeros, fantásticas partes del mundo. Ahora, los físicos se sientan en los laboratorios y preguntan, "¿Esto es todo lo que hay?"

No, no están sufriendo una crisis existencial colectiva.

Buscan materia oscura, la materia que teóricamente constituye una cuarta parte de nuestro universo.

Y los investigadores de West Aussie están a la vanguardia de esta búsqueda, como parte de un proyecto a nivel australiano para detectar una partícula llamada axión.

¿Cuál es la materia (oscura)?

Si existe materia oscura, probablemente esté sentado en una sopa en este momento.

Los científicos predicen que constituye el 26,8% del universo, lo cual es bastante significativo si se considera que todo lo demás que podemos observar, desde los átomos de hidrógeno hasta los agujeros negros, representa solo el 5%. (El otro 69% es algo que los científicos llaman energía oscura. No se preocupe).

Solo hay un problema. No interactúa con el electromagnetismo, la fuerza entre partículas cargadas positiva y negativamente. Es responsable de prácticamente todo lo que podemos observar en la vida cotidiana, con la excepción de la gravedad.

Las fuerzas electromagnéticas presentes entre los átomos y las moléculas del suelo son la razón por la que la gravedad de la Tierra no sigue empujándonos hasta su núcleo (caliente fundido). La luz que emite su computadora, permitiéndote leer esta historia, se genera por interacciones de partículas cargadas eléctricamente en su monitor, también conocido como electricidad.

La materia ordinaria se parece a la materia ordinaria debido a las fuerzas electromagnéticas entre átomos y moléculas. Pero la materia oscura no interactúa con el electromagnetismo. Eso significa que no podemos ver oler, probarlo o tocarlo. Entonces, si la materia oscura es esencialmente indetectable, ¿Por qué creemos que existe? ¿Y qué diablos estamos buscando?

En la oscuridad

Comencemos con una suposición básica:la gravedad existe. Junto con el electromagnetismo, la gravedad es una de las cuatro fuerzas básicas que utilizan los físicos para explicar casi todo. La gravedad dice que las cosas pesadas atraen a todas las demás cosas pesadas, por lo que la atracción gravitacional de la Tierra es la razón por la que no todos estamos flotando sin rumbo fijo en el espacio.

Si miramos en todo ese espacio, podemos ver que nuestra galaxia, la Vía Láctea, tiene forma de espiral. Smack bang en el centro galáctico es un gran, protuberancia en forma de barra de la que los brazos en espiral serpentean en un círculo plano. La Tierra se encuentra en algún lugar en el medio de uno de esos brazos y completa una vuelta de la galaxia cada 225 a 250 millones de años.

Si pensamos en todo el universo como un parque de atracciones gigante, podemos imaginar nuestra Vía Láctea como un carrusel. A diferencia de los carruseles normales que tienen ponis de plástico fijados mediante postes, las estrellas, las lunas y los planetas que componen nuestra galaxia están desconectados y son libres de girar a diferentes velocidades.

Entonces, si todo está desarticulado y girando, ¿Qué nos mantiene orbitando ordenadamente en nuestra pequeña espiral? Bueno, si continuamos con la analogía del parque temático, Podemos comparar este fenómeno con un paseo en silla giratoria. Al columpiarse en una silla alrededor de una torre, una cadena de metal proporciona una fuerza constante en el centro de la atracción que te mantiene dando vueltas y vueltas alrededor de ese poste central.

Lo mismo ocurre en el espacio, excepto en lugar de una cadena, tenemos gravedad. La gravedad es proporcionada por la masa de cosas, específicamente, la masa de nuestro centro galáctico, que los científicos creen que es un agujero negro supermasivo. Tiene tanta masa en tan poco espacio que ejerce una fuerza gravitacional tan alta que absorbe luz.

Cuando te alejas del centro y te adentras en el halo galáctico plano, vemos muchas menos cosas. Menos cosas significa menos masa, lo que significa menos gravedad. Por lo tanto, podríamos esperar que el material en los brazos espirales girara más lento que el material más cercano al centro.

Lo que los astrofísicos realmente ven es que las cosas en el borde exterior de la galaxia están girando al mismo ritmo que las cosas cerca del centro de la galaxia, y eso es bastante rápido. Si este fuera el caso de nuestro parque temático, hubiéramos caído en un escenario de pesadilla.

El paseo de la silla giratoria giraría tan rápido que la cadena ya no proporcionaría suficiente fuerza para mantenerte moviéndote en círculo. La cadena se rompería y serías arrojado a una muerte digna de una película de terror de grado B.

El hecho de que la Tierra no haya sido lanzada a lo largo y ancho sugiere que estamos rodeados por mucha más masa, que proporciona una gran cantidad de gravedad y mantiene nuestra galaxia en forma. Y la mayoría de los físicos piensan que la masa podría ser simplemente materia oscura.

Candidatos oscuros

Sólo por un segundo, olvídate de todo lo que acabas de leer. Dejaremos de mirar las estrellas y en su lugar investigaremos cosas mucho más pequeñas:partículas. La física de partículas es el hogar de este problema llamado problema de paridad de carga fuerte (CP). Es un gran problema inexplicable en la teoría de la cromodinámica cuántica, que de otro modo sería exitosa. No se preocupe por eso.

Usando ecuaciones matemáticas, Los físicos de partículas de los años 70 sugirieron que podríamos resolver este fuerte problema de PC con la introducción de una partícula teórica llamada axión. Y si hacemos más matemáticas y escribimos una descripción de cómo debería verse la partícula del axión, we would find that it has two very exciting qualities—a) it has mass and b) it does not interact with electromagnetism very much at all.

Which sounds suspiciously like the qualities of dark matter. The axion is what physicists call a 'promising candidate' for dark matter. It's like killing two birds with one theoretical, invisible stone.

And if axions are dark matter, we should be surrounded by them right now. If we could only build the right equipment, we could perhaps detect the mysterious mass that's holding our galaxy together. Como sucede, some clever scientists at UWA are doing just that.

Dark matter turns light

Physicists at a UWA node of the ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems (EQuS) are employing a piece of equipment called a haloscope—so called because it searches for axions in the galactic halo (which you're sitting in right now).

A haloscope is basically an empty copper can (a 'resonant cavity') placed in a very cold, very strong magnetic field. If axions are dark matter and exist all around us, one might enter the resonant cavity, react with the magnetic field and transform into a particle of light—a photon.

Whilst we wouldn't be able to see these photons, scientists are pretty good at measuring them. They're able to measure how much energy it has (its frequency) as it sits inside the resonant cavity. And that frequency corresponds to the mass of the axion that it came from.

El problema es, resonant cavities (those empty copper cans) are created to detect photons with specific frequencies. We don't know how heavy axions are, so we don't know what frequency photon they will produce, which means building the right resonator involves a bit of guesswork.

The search for the axion is more of a process of elimination. What have they been able to exclude so far? Bien, mostly due to technical limitations, scientists have previously been looking for axions with a low mass. New theoretical models predict that the axion is a bit heavier. How heavy? No lo sabemos. But Aussie researchers have just been awarded 7 years of funding to try and find out.

Scoping the halo

The Oscillating Resonant Group AxioN (ORGAN) experiment is a nationwide collaboration between members of EQuS and is hosted at UWA.

Part of the physicists' work over the next 7 years will be to design resonant cavities that are capable of detecting heavier axions.

They ran an initial experiment over Christmas 2016, the ORGAN Pathfinder, to confirm that their haloscopes were up to the task ahead and that the physicists were capable of analysing their results.

This experiment yielded no results—but that doesn't mean that axions don't exist. It only means that they don't exist with the specific mass that they searched for in December 2016 and to a certain level of sensitivity.

The intrepid explorers at UWA will set sail into the next stages of the ORGAN experiment in 2018. And perhaps soon, we'll know exactly what the matter is.

Este artículo apareció por primera vez en Particle, un sitio web de noticias científicas con sede en Scitech, Perth, Australia. Lea el artículo original.