Último módulo: el inventario de lo que el Modelo Estándar no explica. Empieza por el agujero más grande y mejor medido. La evidencia de la materia oscura es tan sólida que se enseña con una gráfica de instituto; su naturaleza es tan esquiva que medio siglo de experimentos cada vez más sensibles solo han devuelto silencio.
Las estrellas que no frenan
La gravedad de una galaxia la puedes auditar como todo en este curso: contabilidad. Suma lo que brilla (estrellas, gas) y predice cómo debe girar cada órbita — lejos del centro, cada vez más despacio, como Neptuno gira más despacio que Mercurio. Vera Rubin hizo la medida en los años 70, galaxia tras galaxia, y las estrellas exteriores no frenan:
Puntos: velocidad de giro medida de las estrellas de una galaxia espiral, a cada radio. Curva: la predicción a partir de la materia visible (estrellas y gas). Añade halo oscuro hasta que cuadre.
Con solo la materia visible, las estrellas exteriores deberían girar cada vez más despacio (como los planetas lejanos del Sol). Las reales no frenan: algo masivo e invisible las sujeta.
Zwicky había visto lo mismo en 1933 a escala mayor (las galaxias de un cúmulo se mueven demasiado rápido para la masa visible — él acuñó «materia oscura» y nadie le hizo caso durante 40 años). Y hoy la señal aparece en todas las escalas y con técnicas independientes: las lentes gravitacionales (la masa curva la luz: se «pesa» un cúmulo por cuánto deforma las galaxias del fondo) y el fondo cósmico de microondas, cuyas manchas requieren un 27% de materia oscura para salir como salen. Cuatro relojes distintos dando la misma hora.
Problema. Escéptico razonable: «¿y si no hay materia nueva, sino que la ley de la gravedad cambia a distancias grandes?» ¿Qué observación distingue las dos hipótesis?
Solución. Un choque de trenes cósmico. En el cúmulo Bala, dos cúmulos de galaxias se atravesaron: el gas (la mayoría de la materia visible) chocó y quedó frenado en el medio, brillando en rayos X; las galaxias siguieron de largo. ¿Dónde está la masa? Las lentes gravitacionales responden: no donde está el gas — la masa siguió de largo con las galaxias, atravesándose a sí misma sin chocar. Una gravedad modificada tendría que apuntar donde hay materia visible; lo medido exige un componente masivo que no choca: materia oscura con todas las letras.
Resultado. De paso, el choque midió una propiedad de la partícula sin verla: interactúa poco incluso consigo misma. La lista de requisitos del sospechoso se va llenando solo con gravedad: masiva, neutra, sin color, estable durante 13 800 millones de años, y casi sin choques. Repasa el zoo: nadie cumple el perfil — el neutrino era el único candidato del Modelo Estándar y es demasiado ligero y veloz (borraría las galaxias pequeñas al escaparse de ellas).
Los sospechosos y la cacería
Dos candidatos han dominado medio siglo de búsqueda. El WIMP — una partícula pesada con interacciones tipo fuerza débil; su encanto es una coincidencia numérica («el milagro WIMP»): una partícula así, producida térmicamente en el Big Bang, sobreviviría hoy justo en la cantidad observada. Y el axión, ligerísimo, propuesto para resolver otro problema (el próximo artículo) y candidato de rebote. La cacería usa las tres estrategias que este curso te ha enseñado a leer: directa — toneladas de xenón en minas esperando el retroceso de un núcleo golpeado (los sucesores de Homestake); indirecta — telescopios buscando los productos de aniquilación en los halos; y en colisionador — la firma «monojet + energía faltante» que diseñaste en el ejercicio del módulo de detectores.
El estado de cuentas, con la franqueza del gremio: cincuenta años de evidencia gravitatoria, cero detecciones de partícula. Los experimentos de xenón han ganado un factor ~10 000 en sensibilidad en dos décadas y empiezan a acercarse a la «niebla de neutrinos» — el fondo irreducible donde los neutrinos solares (¡ellos otra vez!) imitan la señal buscada. El WIMP clásico está acorralado; el axión vive su década dorada de experimentos; y la posibilidad de que sea «algo que nadie ha imaginado» cotiza al alza. Así es una frontera de verdad: el mapa es firme, el territorio desconocido.
Ejercicios
En el interactivo, la curva cuadra con un halo de ~5 veces la masa visible. Con la contabilidad del curso: ¿cuánta materia oscura atraviesa ahora mismo tu habitación? (Densidad local estimada: ~0,3 GeV/cm³.)
Solución
0,3 GeV/cm³ ≈ un tercio de masa de protón por centímetro cúbico: en una habitación de 30 m³ (3×10⁷ cm³) hay en todo momento GeV ≈ la masa de diez millones de protones en forma de materia oscura — unos 10⁻¹⁷ gramos. Poquísimo en masa (la Tierra entera contiene ~kg), pero si son WIMPs de 100 GeV, te atraviesan ~10⁵ por cm² y segundo. La materia oscura no está «ahí fuera»: estás nadando en ella, como en los neutrinos — y por eso un tanque de xenón quieto en una mina puede buscarla.
¿Por qué el neutrino — masivo, neutro, sin color, estable y abundantísimo — no puede ser la materia oscura? Le sobraba perfil…
Solución
Por ligero y, en consecuencia, por rápido. Con masa < 0,1 eV, los neutrinos del Big Bang nacieron relativistas y siguieron veloces durante las épocas de formación de estructura: materia oscura «caliente» que se escapa de los pozos gravitatorios pequeños y los alisa. El universo simulado con neutrinos como materia oscura no forma las galaxias enanas que observamos. La estructura del cosmos exige materia oscura fría (lenta) — y de regalo, esa misma exigencia es la que convierte la suma de masas de los neutrinos en un parámetro cosmológico medible (la cota de 0,1 eV del módulo anterior sale de aquí).
La «niebla de neutrinos»: un detector de xenón busca retrocesos nucleares de ~keV. Estima por qué los neutrinos solares acaban siendo un fondo irreducible, y qué moraleja de método (módulo de detectores) reaparece aquí.
Solución
Un neutrino solar de ⁸B (~8 MeV) puede golpear coherentemente un núcleo de xenón y cederle ~keV de retroceso: exactamente la señal esperada de un WIMP, sin traza que los distinga suceso a suceso. Con sensibilidad suficiente, siempre acabas viendo neutrinos — el flujo de 6×10¹⁰ cm⁻²s⁻¹ no se puede apantallar. La moraleja es la de siempre: la significancia es S/√B, y cuando B es físicamente irreducible, mejorar el detector deja de bastar — hay que cambiar de observable (dirección del retroceso, dependencia anual…). El fantasma que abrió la frontera de la física en 1930 es ahora, literalmente, el suelo de ruido de la siguiente.