Antimateria, ¿un camino para averiguar qué es la materia oscura?

Uno de los grandes retos de la cosmología moderna es desvelar la naturaleza de la materia oscura. Se sabe que existe (constituye más del 85% de la materia del universo), pero nunca se la ha visto directamente y nadie sabe qué es. Unos científicos han examinado rastros de antimateria en el cosmos que tal vez estén delatando la existencia de una clase de partículas nunca antes observadas, denominadas “partículas masivas de interacción débil” (WIMPs por sus siglas en inglés), que podrían constituir la materia oscura.

El estudio es obra de un equipo internacional encabezado por Pedro De la Torre Luque, del Instituto de Física Teórica, centro mixto perteneciente al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y a la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en España todas estas entidades.

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Los resultados de la nueva investigación sugieren que unas detecciones recientes de ciertos antinúcleos atómicos en rayos cósmicos (haces de partículas provenientes de fuera de la Tierra) encajan con la existencia de esas partículas teóricas conocidas como WIMPs. Los resultados del estudio, sin embargo, indican que las WIMPs, en caso de que existan, deben tener características mucho más exóticas de lo creído hasta ahora.

Teóricamente, las WIMPs tienen una gran masa e interactúan entre sí y con otras partículas solo a través de la gravedad y de otra fuerza, concretamente la que se conoce como “fuerza de interacción débil”, y que es una de las cuatro fuerzas fundamentales. Esta fuerza solo opera a distancias muy cortas.

Hace unos años, la comunidad científica creyó estar a punto de desvelar la identidad de la materia oscura: las WIMPs parecían cumplir todos los requisitos de la materia oscura, existían estrategias potenciales con las que detectarlas y se creyó que en pocos años se obtendrían las primeras pruebas directas de su existencia.

Por el contrario, las investigaciones de los últimos años han llevado a excluir la existencia de clases enteras de estas partículas. Hoy en día, aunque no se ha descartado por completo la existencia de las WIMPs, el abanico de posibles tipos de WIMPs se ha reducido considerablemente, junto con las metodologías para intentar detectarlas.

Un reciente descubrimiento, sin embargo, parece haber devuelto la esperanza a la comunidad científica. El hallazgo se ha hecho a partir de observaciones efectuadas mediante el AMS-02, un experimento científico a bordo de la Estación Espacial Internacional dedicado a estudiar los rayos cósmicos. Los responsables del experimento detectaron trazas de antinúcleos en los rayos cósmicos, concretamente antihelio, algo que nadie esperaba.

La antimateria es una forma de materia con carga eléctrica opuesta a la de las partículas de materia ordinaria. Esta, de la que estamos hechos nosotros y cuanto nos rodea, está formada por protones con carga eléctrica positiva, electrones con carga eléctrica negativa y los neutrones, con carga eléctrica neutra. La antimateria está compuesta por partículas “espejo” con cargas opuestas, diferenciándose esencialmente por un electrón positivo, el positrón; y un protón negativo, el antiprotón).

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Cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan mutuamente, emitiendo una fuerte radiación gamma. En nuestro universo, cuya materia visible está compuesta en su inmensa mayoría por elementos en los que el protón es positivo y el electrón es negativo, existe no obstante una pequeña cantidad de antimateria. Aunque escasa, también hay antimateria en nuestro mundo, por ejemplo los positrones utilizados como agente de contraste para la tomografía por emisión de positrones (PET), una técnica de diagnosis médica de captación de imágenes bastante usada hoy en día.

Durante el Big Bang (la “explosión” colosal con la que nació el universo), se creó mucha antimateria, pero fue aniquilada por la materia, que aparentemente era más abundante que ella. Hoy en día, todavía se crea un poco de antimateria, en fenómenos físicos de muy alta energía, lo que hace que su observación sea muy significativa. “Si se observa la producción de antipartículas en el medio interestelar, donde se espera muy poca, significa que algo inusual está sucediendo”, explica De la Torre. “Por eso la observación del antihelio fue tan sorprendente”.

Lo que produce los núcleos de antihelio observados por AMS-02 podría ser una cantidad significativa de WIMPs. Según la teoría, cuando dos partículas WIMP se encuentran, en algunos casos se aniquilan, es decir, se destruyen mutuamente, emitiendo energía y produciendo tanto partículas de materia como de antimateria. De la Torre y sus colegas pusieron a prueba algunos de los modelos teóricos de WIMPs para comprobar si son compatibles con las observaciones.

En el estudio se confirmó que algunas observaciones del antihelio son difíciles de explicar con fenómenos astrofísicos conocidos. “Las predicciones teóricas sugerían que, aunque los rayos cósmicos pueden producir antipartículas mediante interacciones con el gas del medio interestelar, la cantidad de antinúcleos, especialmente de antihelio, debería ser extremadamente baja”, explica De la Torre. “Esperábamos detectar un evento de antihelio cada pocas decenas de años, pero los cerca de diez eventos de antihelio observados por el AMS-02 son muchos órdenes de magnitud superiores a las predicciones basadas en interacciones estándar de rayos cósmicos. Por eso estos antinúcleos son una pista plausible de la aniquilación de WIMPs”.

Pero puede haber más. Lo detectado puede denotar no solo la existencia de WIMPs, sino que estas tienen características más exóticas de lo creído.

La pista se encuentra en el hecho de que los núcleos de antihelio observados por el AMS-02 son de dos isótopos distintos (el mismo elemento químico, pero con un número variable de neutrones en el núcleo), el antihelio-3 y el antihelio-4. El antihelio-4, en particular, es mucho más pesado y también mucho más raro.

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Se sabe que la producción de núcleos atómicos más pesados se vuelve más improbable a medida que aumenta su masa, especialmente si la producción se debe a procesos naturales en los que intervienen los rayos cósmicos, por lo que ver tantos núcleos de antihelio-4 es una señal de que algo extraordinario está ocurriendo. “Incluso en los modelos más optimistas, las WIMPs solo podrían explicar la cantidad de antihelio-3 detectada, pero no el antihelio-4”, advierte De la Torre. Por tanto, esa producción de núcleos de antihelio-4 solo puede deberse a una partícula (o clase de partículas) aún más exótica que las WIMPs propuestas hasta ahora.

Así pues, el estudio realizado por De la Torre y sus colegas indica que el camino hacia las WIMPs aún no está cerrado, y que además puede conducir no solo a desvelar la identidad de la materia oscura sino también a descubrir la existencia de partículas mucho más extrañas de lo planteado por las teorías previas. NCYT