La materia oscura no es oscura, mejor llamarla materia invisible, transparente o clara

Algunas part¨ªculas sirven como bloques de construcci¨®n, pero hay otras, como el neutrino, que son principalmente part¨ªculas del fin de los tiempos. No, no me refiero al apocalipsis cristiano: quiero decir que son, de manera literal, un producto de desintegraci¨®n com¨²n en el universo. De hecho, Wolfgang Pauli plante¨® la hip¨®tesis de la existencia de los neutrinos en 1931 porque las cuentas de determinadas desintegraciones radioactivas ...

Algunas part¨ªculas sirven como bloques de construcci¨®n, pero hay otras, como el neutrino, que son principalmente part¨ªculas del fin de los tiempos. No, no me refiero al apocalipsis cristiano: quiero decir que son, de manera literal, un producto de desintegraci¨®n com¨²n en el universo. De hecho, Wolfgang Pauli plante¨® la hip¨®tesis de la existencia de los neutrinos en 1931 porque las cuentas de determinadas desintegraciones radioactivas no cuadraban, y una buena manera de justificar la energ¨ªa faltante era suponer que la responsable de llev¨¢rsela fuese una part¨ªcula que todav¨ªa no hab¨ªa sido detectada. Poco despu¨¦s de la propuesta de Pauli, Enrico Fermi desarroll¨® una teor¨ªa de la desintegraci¨®n radioactiva que contemplaba estas part¨ªculas, y les dio el nombre de ¡°neutrinos¡±, que en italiano significa ¡°peque?o neutr¨®n¡±. Casi treinta a?os despu¨¦s de aquella primera hip¨®tesis, Clyde L. Cowan y Frederick Reines los observaron por primera vez en lo que se conoce como el experimento del neutrino de Cowan y Reines, realizado en el reactor nuclear de Savannah River (Carolina del Sur). Los experimentos probaron la teor¨ªa de que, cuando un antineutrino como los que se generaban en un reactor nuclear interaccionaba con un prot¨®n, la reacci¨®n daba lugar a un neutr¨®n y un positr¨®n. El positr¨®n, la antipart¨ªcula del electr¨®n, entraba a continuaci¨®n en contacto con este y se destru¨ªa, proceso en el que emit¨ªa dos part¨ªculas de luz de alta energ¨ªa: rayos gamma. Los experimentos que llevaron a cabo en Savannah River sirvieron para detectar estos rayos gamma y los neutrones resultantes. La combinaci¨®n ¨²nica de dos rayos gamma y un neutr¨®n dejaba claro que el reactor hab¨ªa producido un antineutrino y, de este modo, hab¨ªa puesto en marcha toda la secuencia de acontecimientos.

Adem¨¢s de dif¨ªciles de detectar, los neutrinos son algo fabuloso. No tienen carga, pero cada tipo se asocia a una pareja lept¨®nica cargada. Esto significa que se presentan en tres sabores: el neutrino electr¨®nico, el neutrino mu¨®nico y el neutrino tau¨®nico. Tardamos casi cincuenta a?os en averiguar que los neutrinos ten¨ªan masa. Yo estaba en el ¨²ltimo curso del instituto cuando se hizo p¨²blica la revelaci¨®n. Dado que su masa es tan peque?a, son perpetuamente lo que llamamos ¡°part¨ªculas relativistas¡±. Pueden desplazarse a velocidades pr¨®ximas al l¨ªmite universal ¡ªla velocidad de la luz¡ª, por lo que son muy eficaces a la hora de llevarse la energ¨ªa de, por ejemplo, un escenario de desintegraci¨®n nuclear. Es esta caracter¨ªstica la que hace que los neutrinos posean un tremendo inter¨¦s no solo desde el punto de vista de la f¨ªsica de part¨ªculas, sino de la astrof¨ªsica. Uno de los lugares en los que se generan neutrinos son las estrellas, que los producen en grandes cantidades cuando estallan; un fen¨®meno conocido como supernova. De ah¨ª que recurramos a los neutrinos, as¨ª como a los fotones ¡ªpart¨ªculas de luz¡ª y a las ondulaciones en el espacio-tiempo ¡ªlas ondas gravitatorias¡ª, para estudiar el universo. Seguimos sin estar seguros de cu¨¢l es la masa del neutrino y tampoco sabemos explicar por qu¨¦ su masa es extremadamente peque?a, pero aun as¨ª mayor que cero. Todo nuestro conocimiento de la f¨ªsica nos lleva a esperar que la masa sea o bien cero, o bien algo de tama?o considerable, as¨ª que por un tiempo, como no sab¨ªamos nada de su masa ni si pose¨ªan masa alguna, cre¨ªmos que los neutrinos eran algo llamado materia oscura. Hace apenas una d¨¦cada, m¨¢s o menos, que tenemos la certeza de que no son lo bastante pesados, y esto nos deja una inc¨®gnita sobre la mesa: ?qu¨¦ diantres es la materia oscura?

Empecemos por aqu¨ª: la materia oscura no tiene por qu¨¦ ser real. El t¨¦rmino lo acu?¨® en 1906 Henri Poincar¨¦, que la bautiz¨® como mati¨¨re obscure. Veintid¨®s a?os antes, en 1884, el astr¨®nomo ingl¨¦s lord Kelvin hab¨ªa planteado la teor¨ªa de que ¡°muchas de nuestras estrellas, puede que la inmensa mayor¨ªa, sean cuerpos oscuros¡±. En la d¨¦cada de 1920, los astr¨®nomos holandeses Jacobus Kapteyn y Jan Oort postularon tambi¨¦n la presencia de algo parecido a la mati¨¨re obscure a partir de sus observaciones de las estrellas de la V¨ªa L¨¢ctea y otras vecinas gal¨¢cticas. En 1933, el astrof¨ªsico suizo Fritz Zwicky afirm¨® que hab¨ªa pruebas de lo que denomin¨® en alem¨¢n dunkle Materie, bas¨¢ndose esta vez en las observaciones de los c¨²mulos estelares. M¨¢s pruebas llegaron de la mano del astr¨®nomo estadounidense Horace Babcock en 1939, y a esas alturas el nombre ¡°materia oscura¡± hab¨ªa calado ya; pese a que no ten¨ªa sentido, porque el problema no era que fuese oscura, sino m¨¢s bien que era imperceptible, invisible.

La distinci¨®n es relevante si tenemos en cuenta la primera prueba verdaderamente significativa de la existencia de la mati¨¨re obscure, que lleg¨® en las d¨¦cadas de 1960 y 1970 gracias en gran parte al uso creativo que hizo Vera Rubin de un espectr¨®grafo nuevo desarrollado por Kent Ford. Este espectr¨®grafo descompone la luz en colores distintos, y la doctora Rubin fue la primera cient¨ªfica que cay¨® en la cuenta de que pod¨ªa usarse para medir la velocidad de estrellas gal¨¢cticas con una exactitud sin precedentes. Los resultados mostraron que exist¨ªa un desajuste notable entre la rapidez con la que las estrellas deber¨ªan rotar en torno al centro de la galaxia (si las estrellas fuesen la ¨²nica materia en la galaxia) y la rapidez a la que en efecto se mov¨ªan. Si toda la masa de una galaxia est¨¢ contenida en estrellas y polvo, entonces, observando cu¨¢nta radiaci¨®n recogemos de ambos, podemos calcular el tama?o de dicha galaxia. Hay una bonita ecuaci¨®n f¨ªsica que nos da la correlaci¨®n entre la luminosidad ¡ªel brillo¡ª y la masa; y otra que nos da la relaci¨®n entre la masa de una galaxia y la velocidad con la que orbitan alrededor de su centro las estrellas. Se trata de una de las leyes de Newton, y se ense?a en el instituto. Pero en el caso de las galaxias topamos con un problema. La masa que resulta de todas las estrellas juntas, a partir de sus velocidades orbitales, no encaja con la masa calculada a partir de las medidas de luminosidad. La velocidad orbital indica que deber¨ªa haber una masa mucho mayor.

Esto indica, a su vez, que falta una cantidad enorme de materia; o, dicho de otro modo, la existencia de una materia invisible. Hay otras posibles soluciones, como que nuestra teor¨ªa de la gravedad no sea correcta (entrar¨¦ en ello m¨¢s adelante), pero por el momento me centrar¨¦ en la idea, m¨¢s popular, de que necesitamos saber d¨®nde est¨¢ esa materia que falta, porque de otro modo nuestras dos series de datos, cuidadosamente recopilados, no concuerdan. Observando los movimientos en las galaxias fue como los cient¨ªficos comprendieron por primera vez que el problema de la materia faltante era un verdadero y gran problema. Pero no fue el ¨²nico indicio, y existen hoy en d¨ªa varias discrepancias que no se pueden explicar introduciendo en la ecuaci¨®n la ¡°materia oscura¡±.

Todo lo que no sabemos

La materia oscura es, en esencia, un recordatorio de la cantidad de cosas que no sabemos del universo. El modelo est¨¢ndar de la f¨ªsica de part¨ªculas no puede darle sentido a todo. Gracias a toda una serie de medidas astron¨®micas, creemos ¡ªes decir, la mayor¨ªa de cosm¨®logos y de f¨ªsicos de part¨ªculas creemos¡ª que el 80 por ciento de la materia que hay en el universo es lo que ha dado en llamarse materia oscura. Nuestra concepci¨®n actual del universo apunta a que los constituyentes de todo lo que hemos visto hasta ahora ¡ªla materia misma de la que estamos compuestos¡ª representa solo alrededor del 20 por ciento del total del universo. El resto es materia oscura. Y si, como nos ense?¨® Einstein, ampliamos nuestra definici¨®n de materia para incluir en ella la energ¨ªa, el desglose es a¨²n m¨¢s desolador: el 5 por ciento ser¨ªa materia contemplada en el modelo est¨¢ndar; el 25 por ciento, materia oscura (sea lo que sea esta); y el 70 por ciento, energ¨ªa oscura. Resulta que el modelo est¨¢ndar no lo es todo, a fin de cuentas. De hecho, puede que solo explique el 5 por ciento del contenido de materia-energ¨ªa del universo. En otras palabras: los bariones, el modelo est¨¢ndar, la materia cotidiana¡­, ?nosotros? Somos rar¨ªsimos, una completa anormalidad. Y no me refiero ¨²nicamente a los f¨ªsicos, me refiero a todos nosotros, incluidas las secuoyas, nuestro planeta, nuestro sistema solar entero. El espacio est¨¢ en su mayor parte vac¨ªo, y las partes que no lo est¨¢n parecen pr¨¢cticamente llenas de un tipo de materia invisible para nosotros. No hemos averiguado todav¨ªa si hay alg¨²n modo de que nuestros instrumentos cient¨ªficos se aproximen a ella; no sabemos si se trata de una clase de part¨ªcula o si hay m¨¢s de mil. (...) Lo ¨²nico que sabemos es que esa materia invisible es la responsable de mantener unidas nuestras galaxias, y que tiene un papel fundamental en la formaci¨®n de la materia que s¨ª podemos ver.

La pregunta m¨¢s obvia que se podr¨ªa hacer aqu¨ª es sencillamente por qu¨¦ el modelo est¨¢ndar no incluye una part¨ªcula de materia oscura. La respuesta: la estructura del modelo est¨¢ndar no es decisi¨®n nuestra. Estamos sometidos a los l¨ªmites de las estructuras matem¨¢ticas de nuestras teor¨ªas y de los datos experimentales. El problema con la materia oscura es que no la hemos visto jam¨¢s, y en el modelo est¨¢ndar, construido en torno a lo que hemos observado, no hay lugar para algo as¨ª. Adem¨¢s, su mal nombre, literalmente, no ayuda con las relaciones p¨²blicas. Deber¨ªamos llamarla m¨¢s bien ¡°materia invisible¡±, ¡°materia transparente¡± o ¡°materia clara¡±. Yo voto por materia invisible o transparente, porque lo de materia clara me recuerda una racha particularmente mala en la gesti¨®n de producto de Pepsi (para los milenials y las siguientes generaciones, baste decir que la Crystal Pepsi, tambi¨¦n comercializada como Pepsi Clear, lleg¨® con una campa?a de marketing monstruosa ¡ªincluido un cacareado anuncio en la SuperBowl¡ª que termin¨® en desastre tanto para Pepsi como para un apreciado tema de Van Halen).

Por descontado, lo primero que se plante¨® fue si ser¨ªa posible una explicaci¨®n usando las part¨ªculas del modelo est¨¢ndar, y durante mucho tiempo, de hecho hasta hace muy poco, los neutrinos fueron firmes candidatos. Los neutrinos no son del todo invisibles: establecen cierta interacci¨®n con las fuerzas electromagn¨¦ticas y, en consecuencia, emiten luz; pero la interacci¨®n es tan peque?a que resultan pr¨¢cticamente imperceptibles. Sin embargo, lo que he aprendido sobre los neutrinos a lo largo de la ¨²ltima d¨¦cada demuestra que no pueden representar de ninguna de las maneras el grueso de la materia invisible que buscamos, por la sencilla raz¨®n de que no tienen masa suficiente. Para responder debidamente de toda esa materia que falta, cada neutrino necesitar¨ªa contar con una masa cientos o incluso miles de veces mayor de la que tiene. En la actualidad, se considera que las investigaciones en torno a la materia oscura van ¡°m¨¢s all¨¢ de la f¨ªsica del modelo est¨¢ndar¡±. Se da por hecho que esta materia invisible est¨¢ formada por una part¨ªcula que no hemos observado todav¨ªa. Es, de nuevo, uno de esos problemas determinantes para un f¨ªsico: puedes acabar sumergi¨¦ndote hasta tal punto que le dediques tu vida entera.

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