El Gran Colisionador de Hadrones tiene un nuevo objetivo muy ambicioso, intentar detectar materia oscura. Algo que desbancaría al bosón de Higgs como su gran hallazgo. Es la gran campaña en la que se va a embarcar después de haber estado tres años fuera de servicio…
El Gran Colisionador de Hadrones buscará detectar materia oscura… otra cosa es que lo logre
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) del CERN, ha estado tres años detenido. Ahora, el acelerador de partículas gigante se va a utilizar para detectar materia oscura. O, por lo menos, intentarlo. No podemos olvidar que estamos hablando de esa sustancia misteriosa que supone el 80% de toda la materia que podemos encontrar en el universo. Tan solo el 20% de la materia del universo es materia normal. Es decir, todo lo que podemos ver está formado por solo el 20% de la materia del cosmos.
El mayor reto de la materia oscura es que nadie ha logrado detectarla. Es algo que resulta tremendamente sorprendente. La inmensa mayoría de la materia del universo nos es invisible. Su existencia, de todos modos, se deriva de la observación del cosmos. La materia oscura es una suerte de cimiento invisible que mantiene unida a las galaxias y cúmulos de galaxias. Su naturaleza, sin embargo, no está bien entendida. Los experimentos en las escalas más pequeñas, que se pueden realizar en el LHC, podrían ser la clave para entenderla.
Desde que se descubriese el bosón de Higgs, el campo de la materia oscura ha cambiado por completo. Hace una década, el principal candidato a materia oscura era un tipo de partículas conocidas como partículas masivas de interacción débil (WIMPS, por sus siglas en inglés). Serían partículas con una gran masa, explicando la gran atracción gravitacional de la materia oscura, pero que solo interactuarían de manera débil con el resto de partículas. Los datos experimentales del LHC, explican algunos físicos han cambiado la perspectiva.
Incluso las explicaciones exóticas podrían ser buenas
Ahora se están considerando todo tipo de explicaciones para la materia oscura. Esto incluye posibilidades exóticos. Cosas como la radiación oscura, una especie de radiación cuya longitud de onda sería de varios años-luz. Así como micro agujeros negros, una modificación de la gravedad, partículas supersimétricas y otros tipos de materia exótica. La búsqueda de la materia oscura ha dado lugar a una variedad de técnicas experimentales, y canales, que serán muy útiles en el futuro, según Gian Guidice, director de la división teórica del CERN.
Pese a estas nuevas teorías, lo más razonable es suponer que algún tipo de partícula es la principal candidata a ser materia oscura. El planteamiento es muy simple. Debe haber partículas que todavía no han sido descubiertas, que no son parte del Modelo Estándar, que podrían ser materia oscura. El bosón de Higgs descubierto en el propio Gran Colisionador de Hadrones en 2012, podría ser la llave. Es el intermediario del campo de Higgs. Es un campo de energía, que abarca todo el universo, del que las partículas masivas extraen su masa al interactuar con el bosón de Higgs.
La materia oscura solo interactúa con el resto del universo a través de la gravedad. No hay ninguna otra manera de detectar su presencia, por lo que detectarla es todo un reto. Si es un WIMP, sin embargo, debe obtener su masa de la misma fuente que el resto de partículas masivas. El bosón de Higgs interactúa con todo lo que es masivo. Así que, si la materia oscura es una partícula masiva, el bosón de Higgs debería estar interactuando con ella. Esto pone al bosón en la cabeza de los esfuerzos para detectar la presencia de materia oscura.
Una sonda para analizar el mundo de la materia oscura
Ese uso del bosón de Higgs, como una avanzadilla, era imposible hace 12 años, cuando se encendió el LHC por primera vez. La idea es la siguiente. Si la materia oscura interactúa con el campo de Higgs, puede que sea observable en algún experimento del LHC. Se manifestaría al ver el bosón de Higgs decayendo a materia oscura. Sin embargo, es posible que la materia oscura esté compuesta por una partícula más ligera. Se trata de los populares axiones. La materia oscura podría tener un gran rango de masas. Si se trata de una partícula ligera, la situación cambia.
Sería necesaria una gran cantidad de esas partículas, en todo el universo, para explicar la cantidad de materia oscura presente. Así que esa materia oscura ligera debería tener unas condiciones y valores muy precisos. El instrumento FASER está analizando ese extremo, en busca del mediador de la materia oscura. Del mismo modo que el bosón de Higgs media las interacciones entre partículas y el campo de Higgs, los fotones permiten que el campo electromagnético interactúe con las partículas. El mediador de la materia oscura le permitiría interactuar con otras partículas.
Se han planteado diferentes mediadores. FASER busca uno muy concreto, el conocido como fotón oscuro. Algo que podría producirse en las colisiones que se lleven a cabo en el LHC. De existir, sería tremendamente difícil de detectar. En su lugar, lo que se espera es que, de producirse, alguno de esos fotones oscuros entre en el instrumento FASER e interactúe con una densa barra de tungsteno, decayendo a diferentes partículas ordinarias. Aunque todo es muy teórico, incluso la falta de resultados sería una buena noticia, porque permitiría refinar las posibles propiedades de la materia oscura…
Referencias: Space
