Olga Requejo Mena: «Me parece más interesante pensar que la materia oscura representa algo de la teoría que no entendemos»

La destacada investigadora del Instituto de Física Corpuscular de la Universidad de Valencia en España (IFIC) resalta la importancia de la materia oscura en la física actual.

Olga Requejo estudió Física Teórica en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC) de Valencia. Terminó su doctorado en el 2002 y realizó su tesis doctoral sobre neutrinos, posteriormente se trasladó a EE. UU. para realizar un posdoctorado. Laboró tres años en Fermilab, dos años más en Roma (La Sapienza, Universita di Roma I), un año en Barcelona (Institute of Space Science) en la actualidad trabaja en el ya mencionado instituto. Durante su estancia en Estados Unidos en al año 2005, empezó a ejercer la Cosmología. En la actualidad estudia los neutrinos, la materia oscura y la energía oscura.

Los neutrinos fueron predichos por el modelo estándar de partículas. En este modelo se pronosticó que los neutrinos no tienen masa, no obstante, los experimentos que se realizaron por el proyecto superkamiokande en Japón en 1998, y en 2002 por SNOLAB en Canadá revelaron que sí la tienen. Los neutrinos son la única materia oscura caliente que se conoce.

¿Qué es la materia oscura? 

Respuesta: No se sabe exactamente lo que es la materia oscura, debería ser un fluido con presión cero o muy cercana a este valor, esta condición permitiría dar cuenta de la formación de estructuras galácticas, así que la materia oscura debería estar ahí.

La existencia de la materia oscura podría dar cuenta de las curvas de rotación galáctica que muestran la velocidad de rotación de las diferentes galaxias, descubiertas en primera instancia por investigadores como Vera Rubin. La materia oscura podría dar cuenta del fenómeno Gravitational Lensing (Lentes gravitacionales). Este es un efecto previsto por la teoría general de la relatividad de Einstein, según la teoría la presencia de materia deforma el espacio y el tiempo, por lo tanto, la luz no encuentra otro camino que el que dicta esta deformación, en consecuencia, la luz emitida por galaxias muy distantes y ocultas tras cúmulos galácticos llega en forma de arcos que reportan su existencia.

La Cosmic Microwave Background (Radiación Cósmica de Fondo) es un evento predicho por el modelo cosmológico estándar mejor conocido como la teoría del Big Bang, da cuenta de cómo se desacoplaron la radiación y la materia en las etapas tempranas del universo. En ocasiones se suele decir que es el eco del Big Bang. La materia oscura también podría dar cuenta de las medidas cosmológicas en la radiación cósmica de fondo.

En esta indagación hay experimentos que buscan la materia oscura directamente, pero, realmente la evidencia es indirecta y viene dada por observaciones astrofísicas y cosmológicas. 

Se cree que la materia oscura debería ser Cold Dark Matter (Materia oscura fría) o Warm Dark Matter (Materia oscura tibia) no Hot Dark Matter (Materia oscura Caliente). La materia oscura presenta estas denominaciones debido a la velocidad de sus partículas, si es fría es porque sus velocidades son bajas, pero si es caliente es porque sus velocidades son grandes e incluso cercanas a la velocidad de la luz.

Los neutrinos son materia oscura caliente, pero para que la distribución actual de galaxias se presente como ha sido observada, la materia oscura debería ser fría. En un escenario con materia oscura fría primero se formarían las estructuras más pequeñas y luego las más grandes, en el caso de la materia oscura caliente primero se generarían las estructuras grandes y por fragmentación se formarían las pequeñas. 

En el modelo actual de formación de galaxias, se formaron primero las estructuras pequeñas y, por acreción se formarían las más grandes, algo que no ocurriría con materia oscura caliente. Los neutrinos que son materia oscura caliente tienen velocidades muy grandes y por esta razón impedirían la formación de estructuras. Estos no pueden constituir el total de la materia oscura, aunque es la única materia oscura que hemos detectado hasta ahora. 

La existencia de las partículas de materia oscura podría ayudar a resolver algunos problemas de jerarquía que existen en el modelo estándar de partículas. 

¿Qué importancia tiene la materia oscura en su campo de estudio?

Respuesta: Es muy importante porqué los neutrinos podrían representar una buena parte de la materia oscura. Hay una línea en la escala de energía de detección de partículas que se encuentra asociada a los Kev (Kilo-electrón-voltio) la cual indicaría la existencia de un neutrino estéril. Esta partícula es hipotética, puesto que debería tener la propiedad de interactuar solamente con la gravedad que es una de las interacciones fundamentales del modelo estándar. Los neutrinos estériles son muy atractivos desde el punto de vista teórico porque podrían resolver muchos problemas del modelo, además no están prohibidos por ninguna de sus simetrías.

Se podrían añadir tantos neutrinos estériles a la teoría como se quiera, ya que estos no interactúan con las demás partículas, excepto con los neutrinos activos y por un fenómeno conocido como Mixing (oscilación de neutrinos). Estos neutrinos son la denominada materia oscura tibia. En un escenario con materia oscura tibia, ni fría ni caliente, la formación de estructuras sería de un carácter distinto, además tendría un impacto sobre la formación de galaxias y la evolución de las diferentes componentes del universo. 

Descubrir un neutrino estéril sería uno de los mayores hitos de toda la historia de la ciencia, ya que generaría una revolución del conocimiento que se tiene del mundo de las partículas elementales. Por estas razones se hace necesario encontrar la materia oscura.

¿Dónde se encuentra la materia oscura?

Respuesta: En todo el universo. La materia oscura se usa en las galaxias para dar explicación a su curva de rotación, ya que esta no puede estar concentrada en el centro de la estructura, sino que se debe extender mucho más allá de la materia visible. Es decir, la materia visible o bariónica se encuentra inmersa en una estructura esférica denominada halo de materia oscura. 

¿De qué está hecha la materia oscura?

Respuesta: No lo sabemos; No sabemos si es una partícula o agujeros negros primordiales del orden de 30 veces la masa del sol. Si bien los agujeros no cubren el total de la materia oscura si lo podrían hacer en un gran porcentaje. 

Pero existe la posibilidad de una Multi Component Dark Matter (Materia oscura multicomponente), es decir que no sea solo una partícula. Sabemos que la materia ordinaria está hecha de muchas partículas, porque existen: protones, neutrones, electrones, neutrinos, quarks, muones y gluones y estas forman parte del modelo estándar de partículas.

La pregunta es ¿por qué debería existir solo una partícula de materia oscura? La formulación de una sola partícula podría ser un argumento bastante estrecho.     

¿Cuáles son las propiedades que tiene la materia oscura?

Respuesta: Lo primero es que: debería interactuar muy débilmente con el resto de la materia, al menos deberían tener una vida media del orden de la edad del universo, serían eléctricamente neutras y las velocidades de sus componentes deberían ser muy bajas. Por lo tanto, se dice que podrían ser Weakly Interacting Massive Particles (Partículas débilmente interactuantes) conocidas como WIMPS, son partículas hipotéticas de las que se espera que su vida media sea del orden de la edad del universo. 

¿De qué forma se puede detectar la materia oscura?

Respuesta: La materia oscura podría ser detectada directamente por experimentos como DAMA/LIBRA. Este es un detector de partículas desarrollado para encontrar materia oscura en el halo galáctico, el detector se encuentra ubicado en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Italia. Los experimentos como DAMA/LIBRA en general se encuentran bajo tierra, lugares que generan un ruido de fondo muy pequeño. El ruido de fondo es la interferencia generada por la gran cantidad de partículas que podrían ser detectadas en el exterior y que no tienen que ver con lo que se está investigando.

La materia oscura se podría detectar indirectamente, por la aniquilación de sus partículas cuando se encuentra atrapada gravitacionalmente en el interior solar o en el interior de la tierra. La aniquilación de partículas se presenta cuando estas se encuentran con su antipartícula y por su interacción desaparecen sus masas convirtiéndose en otras partículas y en energía. La detección de los chorros de partículas procedentes de esta aniquilación podrían ser neutrinos o fotones que harían efectiva la detección de materia oscura.  

La detección de fotones procedentes de la aniquilación de materia oscura en el interior de la galaxia se estudia por experimentos como FERMI e IceCube. El experimento FERMI es un telescopio espacial de detección de rayos gamma e IceCube es uno de localización de neutrinos en el mar mediterráneo. Estos experimentos pueden detectar el flujo de neutrinos provenientes de la aniquilación de materia oscura en el interior solar, en el interior terrestre o en el centro de la galaxia. 

Otras búsquedas indirectas de materia oscura se realizan cosmológicamente, a partir de lo que se denomina Radiación Cósmica de Fondo. Con esta radiación se dan cotas a las tasas de aniquilación de la materia oscura, también se pueden usar Galaxy Surveys (Catálogos de galaxias) que permiten definir la distribución espacial de estructuras que dan cuenta del denominado efecto weak lensing (Lentes gravitacionales débiles), el cual produce una distorsión de las imágenes de las galaxias debido a la presencia de materia oscura. 

Otra medida indirecta se hace a partir de catálogos de conteo de galaxias satélite que tienen las galaxias como la Vía Láctea. Ésta se ha constituido en los últimos años en una de las formas más populares de dar cuenta de la existencia de la materia oscura, ya que podría definir si la materia oscura es tibia o fría, es decir, el conteo de galaxias y de cúmulos de galaxias permiten acotar las propiedades de la materia oscura. 

En el acelerador de partículas CERN hay experimentos que buscan la creación directa de materia oscura a partir de las colisiones de partículas a muy altas energías. 

¿Existe realmente la materia oscura?

Respuesta: Parece ser que sí. O algo muy similar. Sin embargo, esta pregunta es muy filosófica. De hecho, a mí no me gusta la materia oscura.

En general cuando los científicos no sabemos qué es algo o cómo explicarlo lo que hacemos es agregar más materia. Cuando se presentó la precesión anómala del perihelio de Mercurio, se decidió añadir un nuevo planeta interno llamado Vulcano. Esto para que la ley de gravitación universal de Newton diera cuenta de este extraño evento, sin embargo, se pudo apreciar que este fenómeno era realmente una manifestación de una nueva física, la que hoy en día se denomina teoría general de la relatividad de Einstein. 

De alguna manera resulta más fácil añadir cosas que cuestionarte la teoría. Me parece más interesante pensar que la materia oscura representa algo de la teoría que no entendemos.

¿Existen teorías alternativas a la materia oscura? ¿Cuales?

Respuesta: Sí. Me llaman la atención las teorías de modificación de la gravedad como MOND (Modified Newtonian Dynamics) o TeVeS (Gravity Tensor-Vector-Escalar) para mí estas resultan ser unas teorías muy naturales. Sin embargo, las teorías como MOND presentan algunas problemáticas para explicar la colisión de dos cúmulos de galaxias conocido como el Bullet Cluster (Cúmulo de Bala) y los fenómenos de lentes gravitacionales. En el marco de estas teorías se hace un poco más complicado explicar las diferentes observaciones.

El Cúmulo de Bala se presenta como la colisión de dos cúmulos de galaxias en la cual la materia oscura y la materia bariónica se han segregado. En esta colisión la materia oscura pasó prácticamente sin inmutarse, ya que no hay interacciones, sin embargo, el gas de los cúmulos se frenó. Este hecho fue captado en imágenes en el rango del óptico, rayos x y también en infrarrojos. A partir de estas imágenes y del fenómeno de lente gravitacional se concluyó que la mayor parte de la masa del evento se encontraba concentrada en el sitio donde estaba localizada la materia oscura.

A mí me gustan mucho las teorías de gravedad modificadas, me gusta MOND, pero el problema es que funcionan de manera muy regular respecto a las observaciones. Ha sido mucho más sencillo dar cuenta de las observaciones con materia oscura.

 ¿Cree usted que la materia oscura es simplemente un modelo elegante para resolver un problema que está dando cuenta de una nueva física?

Respuesta: La materia oscura es algo muy atractivo ya que resuelve muchos problemas. Sí existe una partícula de materia oscura no solo se resuelve la existencia de la materia oscura sino también el problema de la jerarquía en física de partículas. Lo importante de descubrir la partícula de materia oscura es que resolvería más de un problema en física de partículas y en cosmología. En definitiva, una teoría es muy elegante cuando soluciona muchos problemas a la vez. 

¿Cómo ayuda esto para entender el universo?

Respuesta: La materia oscura es vital para entender el universo. Si no la entendemos estaríamos perdiendo aproximadamente el veinte por ciento de la información del universo. En este caso yo creo que lo único que realmente conocemos bien es el fondo de radiación cósmica (CMB). 

Se sabe que el cinco por ciento del universo es materia visible, aunque no es que esto lo entendamos muy bien, ya que no sabemos el por qué hay más materia que antimateria en el universo. En el inicio del universo se supone que había la misma cantidad de ambas, pero realmente no se entiende que pudo producir que esto no fuera así en el universo temprano.  Los expertos denominan a este fenómeno asimetría.

Aunque para la mayoría de científicos entendemos ese cinco por ciento, sinceramente creo que no lo entendemos, escasamente conocemos el cinco por ciento del universo, esto resulta ser equivalente a tratar de leer un libro y conocer el cinco por ciento del alfabeto, es decir una vocal, al ser esto así no se entenderá absolutamente nada del libro. 

¿Qué importancia tiene la materia oscura en el mundo actual?

Respuesta: Esta no es física aplicada. Realmente lo importante en primera instancia se encuentra en los experimentos que se están construyendo, ya que implican un avance tecnológico, por ejemplo, los imanes superconductores que se han desarrollado para construir colisionadores de partículas en la búsqueda de producción directa de materia oscura son un gran aporte tecnológico.  Además, toda esta tecnología creada para los colisionadores de partículas es la que se vendrá para la sociedad actual y para el futuro. 

El experimento denominado SKA (Square Kilometre Array) que se realiza en Australia está orientado a la búsqueda de materia oscura a través de ondas de radio. En este tipo de experimentos se va a manejar en un día una cantidad de datos superior al tráfico de internet en un año. Esto se asocia a lo que actualmente se denomina Big Data, también es bastante útil para la genética del genoma humano e incluso para el mismo internet. Es decir, no es que al descubrir la materia oscura le producimos un cambio en la vida cotidiana a las personas, sin embargo, todo lo que se invierte en tecnología para estos experimentos se verá reflejado en la forma en que guardamos, revisamos y analizamos los datos. Lo cual por supuesto mejorará la vida del ciudadano de a pie.

Yo en mi vida como científica espero ver algún día un tipo de materia oscura descubierto

Omar Bohórquez