La carrera por la fuente de energía más poderosa del universo no es la fusión nuclear

El modelo teórico más aceptado por los científicos para explicar el funcionamiento del universo tiene un grave problema. Se basa en una escurridiza sustancia teórica cuya existencia nadie ha podido demostrar, pero que le da sentido a todo: la materia oscura. Ahora dos equipos distintos de investigadores están trabajando con nuevos instrumentos y planteamientos que pueden dar la solución a un misterio que ya dura más de 50 años.

Los astrónomos no saben qué es exactamente esta materia oscura, pero las partículas que la forman ni emiten, reflejan o absorben luz, ni tampoco interaccionan con los campos electromagnéticos. Solo pueden explicarse mediante la fuerza gravitatoria que atrae a los cuerpos con masa entre sí. Según la teoría más aceptada para explicar la evolución del universo, el Modelo de Materia Oscura Fría Lambda (LCDM o ΛCDM), la materia oscura constituye alrededor del 27% de la masa y energía totales del universo

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Los científicos creen que si fuéramos capaces de encontrar esta sustancia, la abundancia de materia oscura en nuestro universo podría utilizarse teóricamente como fuente gratuita e ilimitada de energía. El astrofísico Ethan Siegel, conductor del podcast Starts With a Bang! y uno de los expertos que colaboró en el primer episodio de Control Z: La Gran Tormenta, explica que toda materia tiene su equivalente en antimateria y al colisionar materia con antimateria se crea una eficiente "energía pura".

Si la materia oscura realmente acaba teniendo poca o ninguna carga, dice, significaría que cada partícula de materia oscura se comportaría como su propia antipartícula, por lo que al hacer chocar dos partículas de materia oscura se produciría una explosión de materia y antimateria que se convertiría en una fuente constante de energía perfectamente eficiente.

A pesar de la falta de evidencia sobre esta sustancia, hay algunos resquicios por los que los científicos pueden entrar para encontrar pistas y nuevas técnicas de investigación que nos pueden ayudar a descifrar el misterio. Una de las últimas se está desarrollado en el Laboratorio Subterráneo Jinping, en China. Unas instalaciones situadas a dos kilómetros bajo tierra que cuentan con algunos de los investigadores más prestigiosos en este campo.

La otra corre a cargo de un grupo de físicos del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) y de la Universidad de Chicago que está buscando partículas de materia oscura que sean billones o incluso cuatrillones de veces más ligeras que las que se están buscando en la actualidad.

A 2 km bajo tierra

El Laboratorio Subterráneo Jinping de China (CJPL) es el mayor centro terrestre de detección de materia oscura desde que se empezara a funcionar el diciembre pasado. Que esté situado a dos kilómetros de profundidad no es un capricho. Esos miles de metros de roca separan a sus sensibles instrumentos de la superficie, haciendo que solo uno de cada millón de rayos cósmicos solares que bombardean constantemente nuestro planeta llegue a penetrar hasta el laboratorio.

El CJPL tiene dos proyectos de investigación en marcha: El Experimento de Partículas y Xenón Astrofísico (PandaX) y el Experimento de Materia Oscura de China (CDEX). Sus detectores emplean dos grandes tanques de xenón y germanio, respectivamente, que están completamente aislados del resto del mundo.

El CJPL es el único proyecto de detección que opera con ambos gases. El xenón y el germanio son considerados como los mejores candidatos para interactuar con las partículas de materia oscura y los dos kilómetros de profundidad ayudan a bloquear el 'ruido' de la superficie que podría complicar la obtención de resultados. Los investigadores esperan encontrar evidencias de las partículas masivas de interacción débil (o WIMPs, por sus siglas en inglés), un tipo de partícula subatómica hipotética, pesada y lenta que apenas interactúa con la materia ordinaria.

"PandaX tiene una oportunidad real en el futuro de convertirse no solo en líder mundial, sino en el líder mundial", dice el doctor Jonathan Ellis, físico teórico y presidente del comité asesor del CJPL en declaraciones para Popular Mechanics. El CDEX es un poco más complicado, dice. Esto se debe a que el germanio es más difícil de manejar.

Axiones y fotones oscuros

Por su parte, los físicos del Fermilab y de la Universidad de Chicago están colaborando en una iniciativa llamada BREAD (Broadband Reflector Experiment for Axion Detection) que busca materia oscura ultraligera. El equipo está a la caza de dos clases de partículas cuya existencia teórica ha sido propuesta por la comunidad científica, pero aún no se han encontrado: los fotones oscuros y los axiones.

Como explica este artículo de Big Think, los fotones oscuros podrían interactuar con partículas de materia oscura del mismo modo que los fotones normales interactúan con la materia ordinaria. Sin embargo, los fotones de materia oscura no interactuarían directamente con la materia ordinaria, al igual que los fotones ordinarios no interactúan con la materia oscura.

Por su parte, los axiones son unas partículas subatómicas que tienen una fuerza nuclear débil (la que induce algunas formas de radiactividad) e interactúan de forma muy diferente con la materia y la antimateria. Los axiones, además de candidatos para resolver el misterio de la materia oscura (fría), también se proponen como soluciones para muchos modelos de física de altas energías, como la teoría de cuerdas o la supergravedad.

BREAD usa una técnica de detección que se basa en cómo estas partículas interactúan con una pared metálica y emiten fotones ordinarios perpendiculares al metal. Una vez que se crean esos fotones ordinarios pueden detectarse con tecnología convencional. Los investigadores de BREAD diseñaron un receptor de radio sensible y lo utilizaron para escanear el rango de 10,7 a 12,5 GHz. Si los fotones oscuros se convierten en fotones ordinarios en este rango de frecuencias, los investigadores verían un salto en la señal en una frecuencia concreta que sería evidencia de su existencia. Su sistema, dicen además, ocupa relativamente poco espacio y el coste de operarlo es bajo.

"Si se piensa en ello como si fuera una radio, la búsqueda de materia oscura es como sintonizar el dial para buscar una emisora de radio en particular, salvo que hay un millón de frecuencias que revisar", dijo Miller. "Nuestro método es como hacer un escaneo de 100.000 emisoras de radio, en lugar de unas pocas muy a fondo". Aunque en sus experimentos todavía no han encontrado evidencia de materia oscura, el equipo asegura que ha cerrado el cerco de dónde podría estar.