Materia oscura: SLAC carga electrones para encontrar la sustancia escurridiza

Electrones acelerados hasta el 99,9999999% de la velocidad de la luz en un tubo de dos millas del acelerador del Laboratorio Nacional SLAC terminan su trayecto con un poderoso impacto en el Terminal A. A fines de los años 60 y principios de los 70, colisiones similares ayudaron a descubrir las partículas elementales que componen protones y neutrones, lo que llevó al premio Nobel para el líder del experimento. «El Terminal A es un lugar sagrado en SLAC», dice el físico Timothy Nelson .

Próximamente, en este sitio se construirá un nuevo experimento que confirmará o refutará una de las hipótesis más populares sobre la materia oscura.

Hace casi un siglo, el astrofísico suizo Fritz Zwicky sugirió la existencia de una materia invisible cuya gravedad mantiene unidas a las galaxias. Desde entonces, las pruebas de la existencia de la materia oscura han continuado acumulándose, y ahora los científicos creen que el 85% de la materia en el universo está oculta a nuestros ojos. Sin embargo, el misterio de la naturaleza de la materia oscura sigue sin resolverse.

Durante décadas, los investigadores se han centrado en dos tipos de partículas candidatas: partículas masivas de interacción débil (WIMPs) y axiones. Sin embargo, 40 años de búsquedas infructuosas de estas partículas han llevado a los físicos a considerar modelos más complejos de materia oscura. Es posible que consista no en un tipo de partículas, sino en una familia completa, al igual que la materia visible.

Según una nueva hipótesis, la materia oscura podría incluir muchas partículas ligeras, que se pueden dividir condicionalmente en dos categorías: «materia oscura ligera» y «materia oscura ultraligera». La materia oscura ligera representa versiones más ligeras de WIMPs, y la materia oscura ultraligera, versiones aún más ligeras de axiones.

En 2019, el Departamento de Energía de EE. UU. lanzó el programa «Nuevas iniciativas en materia oscura» para financiar experimentos de acción rápida. Hoy, varios de estos proyectos están listos para la construcción. Experimentos similares también están en desarrollo en Europa y Asia.

Uno de esos proyectos es el experimento para buscar materia oscura ligera ( LDMX ). El experimento implica acelerar electrones hacia un objetivo de tungsteno en la Terminal A. En la mayoría de las colisiones de electrones con núcleos de tungsteno, no sucede nada interesante. Sin embargo, en casos raros, si existe la materia oscura ligera, el electrón interactuará con el núcleo a través de una oscura fuerza desconocida, perdiendo significativamente energía.

Otros investigadores se centran en la materia oscura ultraligera, que puede ser tan ligera que su masa es 10 mil billonésimas de la masa de un electrón. Estas partículas podrían surgir naturalmente de la teoría de cuerdas, un candidato a la teoría fundamental de la física.

Para buscar la materia oscura ultraligera, se están desarrollando experimentos como DM Radio en la Universidad de Stanford y ADMX-EFR en la Universidad de Washington. Ambos experimentos fueron originalmente concebidos para buscar axiones, pero ahora se han reorientado a variaciones más ligeras.

Mientras los científicos esperan los resultados de estos experimentos, algunos teóricos consideran otras ideas, como agujeros negros primordiales o modificaciones a la teoría de la gravedad. Como señaló Philip Schuster, físico de la Universidad de Stanford: «En este momento, francamente, todos están adivinando».