La materia oscura es el material misterioso que mantiene unido al Universo, sin embargo, nadie lo ha visto; o escuchado, olido lo probé o lo toqué.

Pero eso pronto puede cambiar, y un laboratorio a 1000 metros bajo tierra en la mina de oro Stawell a medio camino entre Melbourne y Adelaide podría ser el epicentro de este descubrimiento.

Los físicos han tenido una buena racha recientemente en la detección de lo aparentemente indetectable. Primero estaba el bosón de Higg, confirmado por experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones en 2012, casi 50 años después de que se propuso por primera vez su existencia. Luego, en 2015, los detectores LIGO encontraron ondas gravitacionales, un siglo después de que Einstein los predijo. Ambos descubrimientos fueron recompensados ​​con premios Nobel.

Si todo va según lo planeado En los próximos años, la materia oscura pasará del ámbito de lo hipotético a lo observable, abriendo una nueva era en la física experimental, y un gran paso hacia una teoría fundamental de la naturaleza.

La profesora Elisabetta Barberio lidera el esfuerzo australiano para detectar la materia oscura, como Director del Centro de Física de Partículas de Materia Oscura. El físico de la Universidad de Melbourne dice que Australia está en una posición única para confirmar la existencia de materia oscura.

¿Cómo sabemos lo que buscamos?

Comenzó con algunos cálculos simples basados ​​en la Ley de Gravedad de Newton.

"Si miro el sistema solar, ahí está el sol y todos los planetas, y si conozco la velocidad de un planeta y su distancia al sol, Puedo calcular la masa del sol "dice el profesor Barberio.

"Podemos hacer lo mismo con nuestra galaxia. Podemos tomar el movimiento de una estrella, y, conociendo la distancia de la estrella al centro de la galaxia, podemos calcular cuánto material hay en la galaxia.

"Cuando hacemos este cálculo, la cantidad de material que vemos y la cantidad de material que debería estar allí según nuestros cálculos no coinciden. Nuestros cálculos dicen que hay mucho más material en la galaxia de lo que podemos ver. Y esta es la materia oscura ".

Los físicos creen que la materia oscura está formada por una partícula fundamental aún desconocida que no tiene carga eléctrica, no produce luz, y no interactúa mucho con nada. Pero también piensan que habrá alguna interacción ocasional que quizás podamos detectar, dado el equipo adecuado y la ubicación adecuada.

"Sabemos que hay mucha materia oscura en la galaxia; entre el 70 y el 80 por ciento del material de la galaxia es materia oscura, "dice el profesor Barberio, "y así cada segundo nuestros cuerpos son atravesados ​​por miles de millones de estas partículas de materia oscura que no nos hacen nada. Somos transparentes a estas partículas".

"Sin embargo, pensamos que muy, muy raramente, una partícula de materia oscura interactúa con el núcleo de un átomo en un material que podemos ver, lo que llamamos materia normal ".

El problema es que otras cosas también interactúan con los núcleos atómicos; especialmente los rayos cósmicos y la radiactividad.

"La probabilidad de que la materia oscura interactúe con mi núcleo es de un evento por cada 10 kg de material por día, "dice el profesor Barberio." La probabilidad de que la radiactividad o los rayos cósmicos interactúen con mi núcleo es de 10 mil millones de veces por cada 10 kg de material por día ".

En otras palabras, 1 de cada 10 mil millones de estas interacciones es materia oscura, haciendo imposible distinguir cualquier señal del ruido.

Pasar a la clandestinidad

Para mejorar esas probabilidades, debemos reducir la cantidad de otras interacciones que ocurren. El primer paso es dirigirse al subterráneo, camino subterráneo. Los rayos cósmicos son absorbidos por la roca, por lo que si profundiza lo suficiente, puede reducirlos a casi cero.

"Al pasar a la clandestinidad, ya hemos eliminado algunos miles de millones de interacciones, "dice el profesor Barberio.

"Y luego también debemos eliminar toda la radiactividad residual en el material con el que construimos nuestro detector, porque incluso si llevamos un plátano a nuestro laboratorio, tendrá tanta radiactividad que habrá algunos recuentos, algunas interacciones, por día, con mis núcleos, y sombreará la materia oscura ".

"Elegimos el material adecuado, o construir un material con muy baja radiactividad, y luego construimos nuestro detector bajo tierra y comenzamos a esperar, y cuente cuántas veces hay esta interacción ".

Existen varios detectores subterráneos de materia oscura, y uno incluso afirma ver materia oscura. El Laboratorio Gran Sasso, construido dentro de una montaña en Italia, rastrea lo que dicen es la modulación anual de la materia oscura que llega a la Tierra.

A medida que la Tierra gira alrededor del sol, su velocidad con respecto al centro de la galaxia cambia. En junio, la Tierra viaja alrededor de la galaxia a unos 260 km por segundo, mientras que en diciembre es más de 200 km por segundo. Por lo tanto, esperaríamos que la Tierra fuera golpeada por más materia oscura en junio que en diciembre. Y esto es lo que observa el equipo de Gran Sasso en sus datos.

"Si vas en bicicleta y vas más rápido o más lento tienes más o menos viento, "dice el profesor Barberio.

Detector de materia oscura de Australia

Cambios estacionales, de verano a invierno, también podría conducir a un ciclo en la tasa de interacciones en los detectores de materia oscura. Y aquí es donde entra Australia.

Para eliminar este posible error, necesitamos repetir los experimentos en el hemisferio sur, donde las estaciones cambian. Si vemos un patrón estacional, con pico en verano y mínimo en invierno, entonces es necesario repensar los datos de Italia. Si vemos el mismo patrón anual, sin embargo, con un pico en junio y un mínimo en diciembre, esta podría ser la evidencia que finalmente confirme la existencia de materia oscura.

La mina de oro Stawell en el oeste de Victoria es uno de los pocos lugares en Australia que puede albergar un detector de materia oscura.

"Necesitas encontrar una mina muy profunda o una montaña muy alta, "dice el profesor Barberio.

"No tenemos montañas muy altas, así que necesitábamos encontrar una mina. Hay muy pocas minas en Australia que tengan la profundidad y el acceso necesarios. Afortunadamente, contamos con un gran apoyo de los propietarios de las minas y de la comunidad local de Stawell para nuestro laboratorio ".

El equipo del profesor Barberio espera que el Laboratorio de Física Subterráneo de Stawell esté en funcionamiento este año. Este será el primer detector de materia oscura en el hemisferio sur, y, cuando se combina con datos de otros detectores de todo el mundo, finalmente pudo confirmar la existencia de materia oscura.