Materia oscura, se busca

Con motivo del Día Mundial de la Materia Oscura, que se celebra cada 31 de octubre desde 2017, el científico Xavier Bertou, coordinador internacional del proyecto ANDES, explica en esta nota qué es este tipo de materia invisible y misteriosa y cuáles son los métodos para detectarla. Además, se incluye información sobre los proyectos ANDES y Sierra Grande, y las actividades que se realizan ese día.

El 31 de octubre no solo se celebra Halloween y el Día de los Muertos en muchos países del planeta, sino que también es el día elegido para celebrar el Día Mundial de la Materia Oscura. En Argentina, al igual que en otros países del mundo, a lo largo del día se realizarán actividades sobre la temática. En esta nota, un investigador del área que vive en Bariloche, cuenta de qué se trata este tipo de materia, qué métodos se pueden utilizar para detectar su invisible naturaleza y cuáles son los proyectos de investigación que se están impulsando en el país en este campo.

Ocurre que hay mucho más en el universo de lo que se puede observar utilizando diversos instrumentos, desde la Tierra o incluso desde el espacio. La tabla periódica de los elementos que se estudia en la escuela solo describe el 4% de la materia, compuesta por los átomos, sus componentes conocidos, y algunas que otras partículas del llamado modelo estándar de la física de partículas. El restante 96% del universo está compuesto por materia oscura y energía oscura, algo de lo que se sabe aún muy poco.

Invisible pero presente

“La existencia de un nuevo tipo de materia, la materia oscura, es la mejor explicación que tenemos para entender lo que observamos en el universo. A casi todas las escalas, desde las galaxias, cúmulos de galaxias, grandes estructuras, y hasta el universo en su conjunto, observando su radiación de fondo, remanente del Big Bang, encontramos discrepancias grandes entre cómo se comporta lo que observamos y como debería hacerlo por la materia que vemos”, señala el doctor en Astrofísica, Xavier Bertou.

“Si suponemos que además de la materia conocida existe otra materia, en una relación del orden del 5 a 1, que no podemos ver pero que está presente, entonces todo cierra. Esa materia la llamamos materia oscura, ya que no la pudimos ver hasta ahora, solo pudimos inferir su existencia”, agrega el científico, que realizó su doctorado en la Universidad de París y es el coordinador del proyecto ANDES en Argentina, una iniciativa internacional que busca, entre otros temas, conocer más sobre este tipo de materia.

“Cualquier información sobre su naturaleza sería de la mayor importancia debido a su impacto enorme en toda la historia de la formación del universo”, remarca el astrofísico, que trabaja en el grupo de Partículas y Campos del Centro Atómico Bariloche y que dirige estudiantes de grado y posgrado en el Instituto Balseiro, una institución de educación pública dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCuyo).

¿Por qué se llama así a la materia oscura? “No interactúa o interactúa muy poco con la materia común, por eso la llamamos oscura y se complica mucho su observación. De alguna manera, si interactuase más, se vería fácilmente en el universo y por ende no sería materia oscura”, explica Bertou, que nació en Francia y se nacionalizó argentino. En la actualidad, es investigador de la CNEA y del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET).

Si no es posible observarla directamente, entonces, ¿cómo se sabe que está allí? Como destaca Clifford Pickover en “El Libro de la Física” (Ed. Librero), el astrónomo Fritz Zwicky estaba estudiando en 1933 el movimiento de las galaxias y detectó que había cierta cantidad de material galáctico que afectaba el movimiento pero que no aparecía a la vista. Más de 30 años más tarde, la australiana Vera Rubin, observando el movimiento de la Galaxia

Andrómeda, obtuvo la primera evidencia de la existencia de materia oscura por los mismos efectos que Zwicky había detectado, los efectos gravitacionales.

“Sea cual sea la composición de la materia oscura, no emite ni refleja la cantidad suficiente de luz o de otro tipo de radiación electromagnética” que permita que se la observe de modo directo, informa Pickover en el citado libro. Y agrega: “Los científicos infieren su existencia debido a los efectos gravitatorios que causa en la materia visible, por ejemplo en las velocidades de rotación de las galaxias”.

A la caza de la materia oscura

Otra pregunta que se puede hacer en torno a esta temática es cómo los científicos buscan detectar este tipo de materia. Bertou explica que hasta ahora existen tres métodos. El primero implica buscar señales de la existencia de materia oscura en el universo más allá de los efectos gravitacionales. “Por ejemplo, uno podría imaginar que dos partículas de materia oscura se aniquilen y produzcan rayos gamas, y entonces observarlos en galaxias donde uno espera fuerte abundancia de materia oscura”, dice Bertou.

El segundo método implica producirla. “Al chocar partículas de enormes energías, hay posibilidad de producir materia oscura que uno no podría observar directamente, pero cuya presencia se podría inferir al observar una falta de conservación de la energía o de la impulsión”, explica el investigador.

El tercer método apunta a la construcción de delicados detectores que “se dediquen a esperar y observar un choque de una partícula de materia oscura con algún material blanco del detector”, agrega Bertou, quien trabaja desde hace ocho años a perfeccionar este tipo de detectores en el laboratorio de Detección de Partículas y Radiación del grupo de “Partículas y Campos” del Centro Atómico Bariloche, de la Comisión Nacional de Energía Atómica.

En busca de sacar provecho del tercer método citado, utilizando detectores, varios países del hemisferio norte cuentan con sus laboratorios subterráneos: en Japón está Kamioka; en Canadá, SNOLAB; en España, Canfranc, y en Estados Unidos, SURF y Fermilab. Mientras tanto, también hay iniciativas en el sur.

Uno de los proyectos internacionales en el campo de la materia oscura en el hemisferio sur es “ANDES” (por las siglas en inglés de “Agua Negra Deep Experiment Site”), bajo la coordinación de Bertou. Se trata de un laboratorio subterráneo ubicado a 1.750 metros de profundidad, en el túnel Agua Negra proyectado entre San Juan, Argentina, y Coquimbo, Chile. Se espera que abra en 2030.

“Se trata literalmente de estar dentro de la montaña, ya que estar ahí permite estar protegido de la radiación cósmica, uno de los tipos de radiación que existen en la superficie de la Tierra”, explica Bertou. Allí se buscará detectar materia oscura y se trabajará con la física de neutrinos. “Se trata del laboratorio más importante del hemisferio sur en el campo de la materia oscura”, agrega el investigador.

Otro proyecto que se está llevando a cabo, también en Argentina, es el del laboratorio de Sierra Grande. Según informa su sitio web oficial, ese laboratorio estuvo en funcionamiento desde 1994 hasta 1997. Ahora se busca reactivarlo. Fue construido en uno de los túneles de la mina de hierro Hiparsa, a 380 metros de profundidad, en la provincia de Río Negro. “Durante aquel periodo la obtención de datos y su análisis apuntaron a la posible identificación de candidatos a materia oscura a través de múltiples métodos”, se informa en la descripción del proyecto.

En la actualidad, la mina ha sido puesta nuevamente en funcionamiento y desde el grupo dirigido por Bertou en el Centro Atómico Bariloche se está trabajando para reactivar también el laboratorio subterráneo. Nicolás Ávalos, estudiante avanzado e investigador del LabDPR, colabora en el desarrollo de un detector de partículas que será instalado en ese lugar (ver subnota “Un estudiante del Balseiro…”).

Ante la consulta de porqué es importante estudiar la materia oscura en particular y de qué está hecho el universo en general, Bertou reflexiona: “Las preguntas sobre el universo, cómo se formó, de qué está constituido, cómo evoluciona, dónde estamos, hasta porqué estamos, me parecen preguntas fundamentales como ser humano y creo que eso es lo que nos motiva a muchos de nosotros en investigar el tema”.

Ciencia y sociedad

Charlas, conferencias y transmisiones en vivo fueron algunas de las actividades organizadas el pasado 31 de octubre en distintas ciudades del planeta en el contexto del Día Mundial de la Materia Oscura. El Observatorio Austral Europeo (ESO) transmitió el documental “El Fantasma del universo: la caza de la materia oscura”, con el objetivo de comunicar los principales descubrimientos de la materia oscura.

Bertou destaca que en Argentina, bajo la coordinación del Laboratorio de Detección de Partículas y Radiación del CAB y de ANDES, también se realizarán múltiples actividades. No es casualidad que la fecha de celebración coincida con Halloween, pues, según el sitio oficial del Día Mundial de la Materia Oscura, se ha elegido esa fecha como una forma de llamar la atención sobre la “naturaleza evasiva, misteriosa y etérea de la materia oscura”.

“Coordinamos varias actividades, con los planetarios en Argentina, con la Universidad Nacional de San Martín, el Instituto Balseiro y otros centros de estudio, con la ayuda de nuestra estudiante María Belén Lovino”, detalla Xavier Bertou. Por ejemplo, estudiantes universitarios fueron invitados a presentar sus propias obras en formato digital sobre esta temática. Las piezas seleccionadas serán exhibidas en los sitios web oficiales y redes de las instituciones involucradas.

Ahora bien, según destaca la agencia espacial NASA, de los Estados Unidos, comprender qué es la materia oscura puede ayudar a su vez “a comprender la formación y la evolución de galaxias y cúmulos, además de entender el tamaño, la forma y el futuro del universo”. La materia oscura desafía al entendimiento humano y los científicos no se rinden: desde laboratorios bajo la tierra, dejan volar su imaginación con la meta de traspasar la frontera del conocimiento. (Por Carla Allegreti / Área de Comunicación del Instituto Balseiro)

Un estudiante del Balseiro desarrolla un detector de materia oscura

Nicolás Ávalos, oriundo de Buenos Aires y de 24 años, es estudiante avanzado de la Licenciatura en Física del Instituto Balseiro. Actualmente trabaja en su proyecto integrador dirigido por Xavier Bertou: “El Experimento Dark Matter Daily Modulation”. Este proyecto se enmarca en la construcción del detector que se instalará en el laboratorio de Sierra Grande. “Mi colaboración se centra en todo lo necesario para la puesta en marcha del detector: armado de la cámara de vacío, la configuración de la placa de adquisición de datos, etc.”, detalló el joven.

Ávalos explicó respecto al detector que se trata de un CCD (por las siglas en inglés de “Charge-Coupled Device”) que va a ser colocado a 400 m bajo tierra. “El objetivo del dispositivo es detectar la colisión de una “presunta partícula de materia oscura, (WIMP - Weakly Interacting Massive Particle) contra los núcleos y electrones de la red de silicio que conforma al detector”.

Según indicó el joven, en caso de detectar una señal, ésta se podrá ver en una imagen donde los eventos aparecen “como puntos blancos sobre un fondo negro”. Además, señaló que para obtener resultados óptimos es necesario reducir el ruido lo máximo posible: “Se necesita vacío, bajas temperaturas para evitar ruido térmico, aislarse de posibles fuentes radiactivas y un detector lo suficientemente sensible como para registrar eventos de muy baja energía. En todo esto se está trabajando en el laboratorio”.

Ávalos explicó que el sistema solar produce, por su movimiento natural, un viento de materia oscura que viaja en la dirección opuesta. Sierra Grande se ubica en un punto desde donde será posible detectar una modulación diaria que permitirá captar ese viento: “en un momento del día la materia oscura tiene que atravesar la tierra para llegar al detector y 12 horas más tarde se da la situación opuesta: la materia oscura llega directamente al sitio”, concluyó el joven estudiante que continuará trabajando en este detector durante su tesis de Maestría en Ciencias Físicas, también en el Balseiro y en el laboratorio dirigido por Bertou.