Una ilustración de la aniquilación de partículas que crea antimateria en forma entonces de antihelio(Crédito de la imagen: CERN)
Un nuevo estudio sugiere que la sobreabundancia de antimateria en las lluvias de partículas cargadas que bombardean la Tierra, llamadas rayos cósmicos, podría revelar los secretos de la materia oscura, la «materia» más misteriosa del universo.
La materia oscura representa un gran desafío para los científicos porque se calcula que constituye el 85% de la materia del cosmos, pero es invisible porque no interactúa con la luz. Esto significa que cada átomo que compone cada estrella, planeta, luna, asteroide, cometa, ser humano, libro, taza de café y gato es superado por la materia oscura en una proporción de cinco a uno.
Un equipo de investigadores dirigido por Pedro De la Torre Luque, del Instituto de Física Teórica de Madrid, teoriza que las cantidades inexplicables de antimateria, «partículas espejo» con carga opuesta a las partículas de materia como protones y electrones, en los rayos cósmicos podrían ser el resultado de la aniquilación de partículas de materia oscura. Sin embargo, los detalles de esta conexión podrían despejar el principal sospechoso de materia oscura: las WIMPs, abreviatura de «partículas masivas de interacción débil».
«Descubrimos que la cantidad de antinúcleos, especialmente de antihelio [el equivalente en antimateria de los núcleos de helio] , detectada no puede explicarse por procesos conocidos en el universo», declaró De la Torre Luque a universeexpedition.com. «Las antipartículas no son comunes en el medio interestelar [el gas y el polvo entre las estrellas] , por lo que encontrar una alta producción de ellas podría indicar procesos más allá de lo que conocemos».
«En particular, si la materia oscura es una partícula, se espera que raramente se aniquilará y producirá cantidades iguales de partículas y antipartículas.»
La investigación del equipo podría ser una mala noticia para los candidatos más apoyados para la materia oscura, enviando a los científicos de vuelta a la mesa de dibujo en la búsqueda para entender la masa faltante del universo.
¡Fuera de mi camino, WIMPs!
Aunque siguen siendo uno de los principales sospechosos de explicar la existencia de la materia oscura, los WIMPs han sido frustrantemente esquivos hasta la fecha.
«Las WIMP son una familia general de partículas predichas por muchas extensiones mínimas del Modelo Estándar de Física de Partículas, el modelo que explica las partículas que conocemos y sus interacciones», afirma De la Torre Luque. «Nunca se han observado, pero son candidatos maravillosos para la materia oscura porque son neutros, y podrían producirse en el universo primitivo por mecanismos similares al proceso que creó las partículas conocidas».
La débil interacción de las WIMP con el resto de partículas del Modelo Estándar significa que podrían haber eludido toda posible detección por parte de nuestros experimentos actuales. De ahí que, si constituyen la materia oscura, aún no se haya detectado directamente. Las WIMP interactuarían gravitacionalmente, al igual que lo hace la materia oscura. Esto es crucial, porque es la interacción gravitatoria de la materia oscura lo que ha permitido a los científicos inferir su existencia. Por tanto, los WIMPS y la materia oscura también son compatibles en este sentido.
The Bullet Cluster, donde la materia oscura de interacción débil (azul) ha atravesado la materia ordinaria (rosa), como una bala que viaja a través de una manzana. (Crédito de la imagen: Rayos X: NASA/ CXC/ CfA/ M.Markevitch, Mapa óptico y de lentes: NASA/STScI, Magellan/ U.Arizona/ D.Clowe, Mapa de lentes: ESO/WFI)
Una pregunta abierta sobre la materia oscura es si las partículas que la componen se aniquilan entre sí. La aniquilación se refiere a lo que ocurre cuando una partícula de materia se encuentra con su homóloga de antimateria y se destruyen mutuamente. Por ejemplo, cuando un electrón se encuentra con su antipartícula, un positrón, las dos se aniquilan y la energía que las compone se libera de nuevo al cosmos. Se ha propuesto que la materia oscura se «autoaniquila» en las raras ocasiones en las que interactúa consigo misma.
«Se espera que las WIMP se aniquilen, produciendo pares de partículas y antipartículas en cantidades iguales», afirmó De la Torre Luque. «Aunque esperamos que se creen cantidades muy pequeñas de antipartículas en el medio interestelar por los procesos que conocemos, puesto que sabemos que la materia oscura impregna todo nuestro universo y las WIMP son las mejores candidatas que tenemos para la materia oscura, cabe esperar copiosas cantidades de antipartículas creadas en la galaxia por estas WIMP.»
Un diagrama muestra la proporción de materia oscura con respecto a la materia «cotidiana» que compone estrellas, planetas y gatos. (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
El equipo observó las antipartículas de helio y antihelio en los rayos cósmicos para tratar de encontrar la firma de la aniquilación WIMP. Al igual que los átomos de helio «ordinarios», el antihelio puede tener tres o cuatro neutrones. Esto significa que se presenta en dos isótopos: antihelio-3 y antihelio-4.
El experimento Espectrómetro Magnético Alfa (AMS) 02 a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS) encontró recientemente cantidades muy similares de antihelio-3 y antihelio-4 en los rayos cósmicos. Los propios rayos cósmicos pueden crear antipartículas cuando chocan y atraviesan el medio interestelar. Sin embargo, las cantidades de antihelio detectadas en los rayos cósmicos son muy superiores a las previstas por las estimaciones de producción de antinúcleos a partir únicamente de partículas de rayos cósmicos.
La Estación Espacial Internacional, sede del experimento AMS02, que detectó una sobreabundancia de antimateria en los rayos cósmicos.(Crédito de la imagen: Bleecker Street)
El equipo investigó si el candidato a materia oscura WIMP puede explicar esta sobreabundancia de antimateria. Descubrieron que la aniquilación WIMP podía explicar la sobreabundancia de antihelio-3, pero no las cantidades medidas de antihelio-4.
«Si bien nuestras predicciones revelan que, con cálculos optimistas, podemos explicar las observaciones de antihelio-3 con WIMPs como materia oscura, esperamos que los WIMPs deban producir una cantidad mucho menor de antihelio-4». En un factor de 1.000 menos, de hecho, porque es más pesado que el antihelio-3», dijo De la Torre Luque. «Descubrimos que los WIMP no pueden explicar fácilmente estas observaciones y, para resolver este misterio, necesitaríamos modelos aún más exóticos de materia oscura».
Aunque esto pueda parecer inicialmente una mala noticia, la visión de las WIMP como «partículas milagrosas» que cumplen todos los requisitos de la materia oscura ha llevado al abandono efectivo de muchos otros modelos de partículas.
Es posible que algunas de estas alternativas a las WIMP vuelvan a estar sobre la mesa, al igual que las explicaciones no basadas en partículas, como la idea de que la materia oscura podría estar formada por «agujeros negros primordiales» de tamaño subatómico creados durante el Big Bang.
«Si esta producción de antinúcleos es el resultado de una partícula desconocida en la galaxia, esta partícula debería tener propiedades muy específicas para producir antihelio», concluyó De la Torre Luque. «Si descubrimos que esta partícula puede explicar todas las observaciones actuales para la materia oscura y que podría haber escapado a todas las investigaciones actuales para nuevas partículas en aceleradores de partículas, esta será una gran candidata a materia oscura, y la detección de antihelio podría ser nuestra única manera de investigarla.»
La investigación del equipo se publicó el 4 de octubre en la revista Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
