Este dispositivo trata de desentrañar el misterio de la materia oscura

Una partícula que, en teoría, sería prácticamente invisible podría resolver dos rompecabezas cósmicos al mismo tiempo. ¿Podrá detectarla esta máquina?

Fotografías de Tony Luong
Publicado 8 oct 2018 15:28 CEST
Cables
La configuración de los cables del laboratorio informático del experimento ADMX (Axion Dark Matter experiment) en Seattle, Washington.
Fotografía de Tony Luong, National Geographic

En unas modestas instalaciones del norte de Seattle, una maraña enfriada de tubos y cables se dispone a cambiar el mundo. El interior del dispositivo, por el que fluye helio líquido, se encuentra a menos de una décima de grado sobre el cero absoluto, la temperatura más fría posible. Dentro de la gélida cavidad, aislada cuidadosamente del ruido, la radiación de microondas puede resonar como las ondas de sonido en una campana, en busca de las pistas de partículas que pasen zumbando que, en otros contextos, serían invisibles.

Te presentamos el Axion Dark Matter eXperiment o ADMX: el instrumental científico más sensible de su tipo construido hasta la fecha. Si ADMX confirma la existencia de su presa, una partícula teórica denominada axión, podría explicar finalmente el gran misterio cósmico de la materia oscura.

El ingeniero de investigación Nick Force lleva a cabo tareas de mantenimiento rutinarias con nitrógeno líquido en el laboratorio, con guantes para su seguridad.
Fotografía de Tony Luong, National Geographic

Los científicos llevan décadas buscando esta extraña sustancia, desde que las observaciones del universo revelaron que toda la materia visible se encuentra en minoría por seis a uno frente a una materia inerte y misteriosa que solo podemos detectar por su tirón gravitacional. A diferencia de la materia normal, todavía no sabemos de qué está hecha la materia oscura. Por eso, como cazafantasmas en busca de un espectro fastidioso, los científicos emplean sus mejores teorías sobre la materia oscura para construir detectores elaborados, intentando atrapar el fantasma mediante cualquier brillo que deje tras de sí.

Los científicos llevan 30 años preparando el ADMX. Han tardado mucho en lograr que este tipo de detector alcanzase la sensibilidad que se considera necesaria para pillar al axión in fraganti.

«El ingenio y la inteligencia necesarios para diseñar y construir estos experimentos me parecen fantásticos, y se les atribuye muy poco crédito», afirma la física de la Universidad de Stanford Helen Quinn, cuyas teorías sentaron las bases del axión en los 70. «Es una labor experimental increíble».

Nick Force trabaja en el imán principal del ADMX, que produce un campo magnético unas 150.000 veces más intenso que el de la Tierra.
Fotografía de Tony Luong, National Geographic

Buscando en la oscuridad

Durante décadas, los candidatos principales a materia oscura eran unas partículas antisociales denominadas partículas masivas que interactúan débilmente o WIMP, por sus siglas en inglés. Algunas teorías predecían estas partículas y además contaban con las propiedades adecuadas que se esperaría que tuviera la materia oscura, una coincidencia denominada «milagro WIMP». Es más, las WIMP pueden probarse de forma plausible con tecnología que ya comprendemos, como colisionadores de partículas y los detectores de neutrinos.

Pese a su atractivo, las búsquedas de las WIMP han resultado infructuosas. El silencio es inquietante, hasta tal punto que algunos investigadores reclaman una nueva era en la búsqueda de materia oscura.

Una placa expositoria con válvulas muestra las presiones y otras mediciones del imán en el laboratorio. El experimento ADMX G2 es una de las búsquedas insignia de materia oscura del Departamento de Energía de Estados Unidos y la única que busca axiones. El experimento consta de un enorme imán, una cavidad microondas y una electrónica cuántica ultrasensible a los ruidos bajos.
Fotografía de Tony Luong, National Geographic

«No quiero dejar [las WIMP]: debemos seguir investigando ese paradigma porque todavía no lo hemos agotado», afirma Jodi Cooley, física de la Universidad Metodista del Sur e investigadora principal del detector de materia oscura SuperCDMS. «Pero mientras todavía las investigamos, deberíamos buscar ideas nuevas».

Aquí entra el axión, la partícula que el ADMX pretende capturar:

El papel del axión como candidato a materia oscura llegó casi por accidente, cuando se pretendía explicar una curiosa asimetría que tenía lugar en el cosmos. En teoría, el universo primitivo habría creado exactamente la misma cantidad de materia y antimateria, dos tipos de partículas similares en todos los sentidos salvo por su carga eléctrica. Las dos sustancias se aniquilan entre sí al entrar en contacto, pero todos seguimos aquí, lo que significa que la materia normal debe jugar según normas ligeramente diferentes, lo que hace que una fracción de esta sobreviva a su rara gemela.

Es necesario llevar guantes para evitar quemaduras al trabajar con el imán.
Fotografía de Tony Luong, National Geographic
Nick Force, ingeniero de investigación, lleva a cabo labores de mantenimiento rutinarias en el laboratorio de Seattle.
Fotografía de Tony Luong, National Geographic

Debemos nuestra existencia a este desequilibrio, que se denomina violación CP. En 1977, Quinn y Roberto Peccei propusieron una teoría respecto a la violación CP que dio pie a una sorpresa inesperada: en los estudios subsiguientes publicados con una semana de diferencia, los físicos Frank Wilczek y Steven Weinberg demostraron que la teoría también indicaría otro nuevo tipo de partícula elemental. Denominaron a esta partícula teórica axión.

«La idea procede de la teoría Peccei-Quinn, pero Peccei y Quinn no se dieron cuenta», bromea Quinn. «Si soy la madre del axión, el axión es un huérfano».

La señal MAGNET ON del laboratorio ADMX. El ADMX es un haloscopio de axiones que emplea un campo magnético intenso para convertir los axiones de la materia oscura en fotones detectables en microondas.
Fotografía de Tony Luong, National Geographic

Y si el axión existe, quizá se trate de la partícula de materia oscura tan anhelada. Por la forma en que los axiones se habrían formado, en teoría, en el universo primitivo habrían sido muy fríos, lo que implica que las regiones de axiones más densas no se disiparían como humo. Esto le habría dado a la gravedad el tiempo suficiente para ejercer su hechizo de atracción. A medida que la gravedad creaba nubes de axiones cada vez más densas, podrían haber actuado como andamios gravitacionales de la materia normal, pese a la pequeñez de cada uno de los axiones. De esta forma, los axiones habrían sido la semilla de las primeras galaxias, dando pie a estrellas, planetas y personas.

«La razón por la que [los axiones son] tan atractivos es que no se postularon para resolver el problema de la materia oscura», afirma Renée Hložek, cosmóloga de la Universidad de Toronto que estudia la materia oscura de axiones. «Nos gustan los 2x1».

Nick Force, ingeniero de investigación, llevando a cabo labores de mantenimiento rutinarias con nitrógeno líquido.
Fotografía de Tony Luong, National Geographic

Ver lo invisible

Aunque los axiones y las WIMP se sustentan en teorías elegantes, los axiones se han considerado durante mucho tiempo los perdedores de la materia oscura. Esta diferencia era, en parte, práctica. Al principio los físicos no estaban seguros de si podrían detectarse, de existir realmente.

Para empezar, en teoría, los axiones serían increíblemente ligeros. Si tuvieras tantos axiones como granos de arena hay en la Tierra, su masa combinada podría ser igual a la millonésima parte de la milmillonésima parte de un solo grano de arena. Es más, aparte de la gravedad, se prevé que los axiones rara vez interactúan con la materia normal.

Entonces ¿cómo podríamos encontrar el axión o entenderlo siquiera? En 1983, el físico de la Universidad de Florida Pierre Sikivie dispuso un plan revolucionario para hallarlos en la Tierra, asumiendo que los axiones componen el halo de materia oscura que, en teoría, bordea nuestra galaxia.

En un campo magnético intenso, estos axiones deberían convertirse en radiación de microondas, con una frecuencia que depende de la masa del axión. Para observar esta radiación, Sikivie sugirió construir una cámara superenfriada dentro de un campo magnético intenso, donde pudieran resonar estas microondas. A continuación, los investigadores podrían afinar su frecuencia, como si girasen el dial de una radio.

En teoría, si los físicos escogieran la frecuencia adecuada, las microondas provocadas por los axiones que atraviesan la cámara resonarían, emitiendo un diminuto destello detectable. «Es muy difícil detectarlo, pero no es imposible», afirma Sikivie. «Es probable que [ADMX] lo logre, en mi opinión, si la gente tiene la resistencia y la perseverancia necesarias».

Varias herramientas y suministros en la sala esterilizada del laboratorio.
Fotografía de Tony Luong, National Geographic

«Como un caballo de carreras»

En 1987, el Laboratorio Nacional de Brookhaven encendió el primer «haloscopio de axiones» y poco después Sikivie ayudó a construir el segundo. Pero estos primeros detectores no lograban cancelar el ruido de fondo. La tecnología todavía no estaba a la altura.

Ahora, tras más de dos décadas, ADMX llega allá donde ningún otro detector ha llegado jamás. En un estudio publicado en abril en Physical Review Letters, sus constructores anunciaron que el dispositivo era lo bastante sensible para sondear directamente las masas mejor aproximadas del axión, convirtiéndose en la primera máquina capaz de hacerlo. Colocado en otro planeta, el ADMX sería tan sensible que podría captar la cobertura telefónica de la Tierra.

«Podríamos tener cuatro barras desde Marte, sin problema», bromea el físico de la Universidad de Washington Leslie Rosenberg, científico principal del ADMX. Rosenberg ha dedicado toda su vida al ADMX y vive cerca de él en caso de que falle y necesite alguna reparación. No se ha tomado vacaciones de una semana en 28 años.

«Soy como un caballo de carreras que ve la meta», cuenta. «Ha sido difícil, me ha desgastado, pero, por otra parte, casi puedo ver esos axiones. Es lo que me hace seguir adelante».

Leslie Rosenberg (derecha) habla con el equipo al final de la jornada.
Fotografía de Tony Luong, National Geographic

Día tras día, la búsqueda de Rosenberg se desarrolla en una pantalla de ordenador. Equipos rotatorios supervisan el instrumental de forma remota, ya que la cavidad central del ADMX cambia automáticamente su frecuencia de resonancia cada cien segundos y busca el leve parpadeo de los axiones. El instrumental tararea las 24 horas del día, todos los días, durante nueve meses cada vez. A este ritmo, el ADMX tardará unos cinco años en escanear la gama completa para la que ha sido diseñado.

Si el ADMX da con la frecuencia adecuada, los investigadores lo sabrán enseguida. Es una de las peculiaridades de la caza del axión: es obscenamente difícil detectar la señal, pero cuando lo logras, se acumulan datos suficientes para confirmar el hallazgo en cuestión de días.

«Cuando encuentras una aguja en un pajar, queda bastante claro que es una aguja y no un trozo de paja», afirma Sikivie.

Si logran observar la señal, los investigadores estarán muy bien preparados, ya que hacen simulacros constantemente. Para mantener alerta al resto del equipo, se permite a algunos investigadores del ADMX enviar de forma secreta señales artificiales al detector, revelando más adelante que son falsas.

«Hemos pasado de tener unas posibilidades diminutas de que algo vaya mal mirando en el lugar adecuado a mirar en el lugar adecuado y que una detección se produzca cualquier día de estos», afirma el físico de la Universidad de Washington Gray Rybka, coportavoz del ADMX. «Más nos vale tomárnoslo en serio».

Un banco de ordenadores cubierto de cables en el laboratorio de ADMX.
Fotografía de Tony Luong, National Geographic

La carrera hacia la meta

Parece que se están extendiendo las buenas noticias acerca del axión: un equipo de investigación de la Universidad de Yale está construyendo su propio haloscopio de axiones que compita con ADMX, y equipos de Corea del Sur y Australia también se han puesto manos a la obra.

Aunque la búsqueda del ADMX y el resto de los detectores resulte infructuosa, no supondría necesariamente una sentencia de muerte para la partícula. Quinn señala que las teorías sobre los axiones son bastante flexibles y alguna versión de la partícula podría eludir al detector. Pero a medida que continúa la fiebre de la detección, quizá aumenten las probabilidades de que alguien en alguna parte revele al fin la naturaleza real de estos esquivos componentes del cosmos.

«Espero que en 15 años pueda dar una clase sobre qué es en realidad la materia oscura», afirma Hložek. «La idea de saberlo en una generación resulta increíble».

Mientras tanto, Sikivie ha encontrado algo más dentro del ADMX: la satisfacción de que, décadas después, sus teorías y las de otros se pongan a prueba.

«Cuando estoy cerca del experimento ADMX, es una experiencia emocional bastante intensa», cuenta. «Trato de evitarlo porque me siento tan feliz que quizá sea algo malo. No debería regocijarme tanto en esa sensación».

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.

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