Fantasmas del Universo

La caza de la Materia Oscura

PhantomOfTheUniverse.com

Grandes preguntas sobre el descubrimiento...

¿Qué significa “Descubrir”?

¿Qué hemos descubierto?

¿Qué falta descubrir?

¿Cómo descubrimos algo nuevo?

¿Por qué importa descubrir?

“Descubrir puede significar diferentes cosas para gente diferente y no tan solo viajar a lugares desco-nocidos para encontrar cosas nuevas. En Astronomíay en Física se trata de entender diferentes objetos y procesos en nuestro universo a traves del uso de he-rramientas y medidas. Para un viajero sería como redescubrir lugares para uno mismo. Para un niño sería como encontrar nuevas vistas, sonidos o textu-ras. ¿Qué significa para ti?

Los ingenieros y los científicos han construido muchas herramientas que nos ayudan a estudiar objetos y como funciona el mundo. En las cienciasespaciales, esto incluye los satélites, telescopios espaciales y terrestres y robots; en Física los expe-rimentos de laboratorio con detectores muy sensi-bles y los aceleradores de partículas. También te-nemos herramientas conceptuales como las mate-máticas, los modelos y las simulaciones. Pero la mejor herramienta somos nosotros mismos, traba-jando juntos en todos estos problemas, inspirán-donos unos a otros y no solo contestando pregun-tas sino también planteando otras nuevas para hacer nuevos descubrimientos.

¡Mucho! Hemos descubierto las leyes fundamentales que controlan el comportamiento de la materia del Universo. Averiguamos de que están hechos los áto-mos como interaccionan. También hemos aprendido sobre cosas que no podemos tocar ni alcanzar. Nues-tra tecnología crea herramientas para ayudarnos en nuestra comprensión de cosas que no podemos alcan-zar. Estudiando la luz que nos llega del espacio y usando telescopios hemos aprendido de que están he-chas las estrellas, que las galaxias están formadas porestrellas o que el Universo está lleno de algo que nopodemos sentir ni tocar. A la vez que nuestros acele-radores de partículas nos permiten mirar en el mundode lo extremadamente pequeño.

Los humanos tenemos una curiosidad insaciable.El descubrimiento, en cualquiera de sus formas, tiene que ver con encontrar respuestas y nuevo co-nocimiento que nos ayude a entender el mundo quenos rodea. Las respuestas a nuestras preguntas pue-den conducirnos a nuevos avances que nos ayuden a mejorar nuestras vidas o a asegurarnos que no causamos demasiado daño a nuestro entorno. Los descubrimientos y la exploración nos permite co-nocer nuestro lugar en el Universo. Esta es parte denuestra larga búsqueda para saber de dónde veni-mos y como encajamos en este mundo.Aunque no queden nuevos continentes por descubrir

en la Tierra, todavía queda mucho por aprender de nuestro Universo. Por ejemplo, no sabemos de que está hecho el Universo en su mayor parte o por qué está acelerando su expansión. Y ¡hace muy poco tiempo que aprendimos como obtiene su masa el Universo! Para poder hacernos preguntas debemossaber tanto lo que conocemos como lo que no. Tene-mos todavía muchas preguntas por contestar.

Resumen de la Proyección“Fantasmas del Universo: La caza de la Materia Oscura” lleva al espectador a través de un viaje de descubri-miento siguiendo los esfuerzos de científicos de todo el mundo en su búsqueda por desentrañar los misterios de la Materia Oscura. Comenzando con su creación durante el Big Bang, se explora el papel de la materia oscura en la formación de las galaxias destacando su descubrimiento a partir de sus efectos sobre los movi-mientos de las estrellas y las galaxias. A continuación el espectador es llevado hasta el fondo de una mina donde se están construyendo los experimentos más sensibles para detectar las raras interacciones directas entre partículas de materia oscura y partículas de materia normal. Finalmente es conducido a través del CERN, donde en su LHC se hacen colisionar partículas a velocidades cercanas a la de la luz en un intento decrear partículas de materia oscura que podamos estudiar despues.

Información Básica¿Qué es la Materia Oscura?

El Big Bang

Cazando Materia Oscura con gravedad

Materia Oscura en el laboratorio

En los años 50 del s.XX el estudio de galaxias era un campo muy excitante. Hacía poco, a principios del siglo, que los astrónomos habían descubierto que las galaxias no formaban partede nuestra Vía Láctea, sino otros conjuntos es-telares como ella misma. El astrónomo Fritz Zwicky estaba estudiando los movimientos de galaxias en grandes clústeres y se dio cuenta de que esos movimientos eran más rápidos de lo que explicaba la materia que veía. La grave-dad de la materia visible no era suficiente paramantener el clúster unido frente a las grandes velocidades de sus miembros. Debía haber materia extra para mantenerlos unidos que nose viera. La llamó Materia Oscura.

Aunque las conclusiones de Zwicky fueron básicamente ignoradas, se comenzó a reunir otras pruebas desde estudios de otras galaxias,de la expansión del Universo como un todo y de la distribución de galaxias en el espacio. Hacia los años 80 y 90 del s. XX las pruebas eran ya irrefutables: La mayoría de la materiadel Universo era oscura (no emitía luz) e in-observable. Y, lo que es más, parecía que estamateria únicamente interaccionaba con la materia normal a través de la fuerza de la gra-vedad.

Para entender realmente la materia oscura tenemos que retroceder hasta el principio, hasta el origen del Universo en el Big Bang. Big Bang es simplemente el nombre que le damos al estado del Universo cuando era muy joven, muy caliente y muy denso. No fue una explosión dentro del Universo, sino,más bien, se trata de una rápida expansión del todo el Universo en una etapa muy tem-prana.

Cuanto más atrás miramos en la historia del Universo más caliente y denso era. Desde entonces ha estado expandiéndose y enfrián-dose. En estos tiempos está a unos 2.7K, peroen los primeros segundos las temperaturas eran de miles de millones de grados kelvin. A estas temperaturas puede formarse y destruir-se nueva materia en un ciclo continuo. La Materia Oscura se creó en esta etapa tempranay vino para dominar la masa del Universo

¿Cómo podemos detectar la Materia Oscura, si apenas interacciona con la materia normal y ade-más no emite luz? Aunque no podamos verla di-rectamente si que podemos observar los efectos gravitatorios que produce. Un ejemplo es el ex-ceso de movimiento de las galaxias en los clus-ters que F. Zwicky observó. Tiempo después Vera Rubin estaba estudiando las galaxias espi-rales. Se trata de discos planos con las estrellas girando en la misma dirección alrededor de un centro. De acuerdo con la teoría cuanto más lejosestá la estrella del centro más lento debería girar,de un modo similar a como lo hacen los planetasalrededor del Sol. Pero las mediciones de V. Rubin mostraron algo inesperado: las estrellas exteriores se mueven casi tan rápido como las interiores, parecido a como gira una rueda de bicicleta. Se necesitaba una aportación de grave-dad extra debida a una materia que no podía verse.

En las pasadas décadas ha aparecido una her-mosa evidencia de la existencia de la Materia Oscura: la distribución de galaxias en el Uni-verso. Cuando éste se formó era extremada-mente uniforme con tan solo pequeñas in-homogeneidades en la distribución de materia. La gravedad las amplificó hasta tener zonas muy densas (galaxias, con estrellas y planetas). Pero tan solo con la contribución de la masa visible no hubiese sido suficiente para mante-ner unidas las galaxias. ¡Sin Materia Oscura ni siquiera existiríamos!

Pero estudiar la Materia Oscura tan solo con sus efectos gravitacionales no es suficiente. Aunque sabemos que existe y podemos conocer algo sobre sus propiedades, estos estudios no nos dicen que “es” realmente. En las décadas pasadas los físicos de partículas, que son cientí-ficos que estudian la estructura de la materia, han comenzado a desarrollar el conocimiento de que “debería ser” la Materia Oscura. Toda la materia normal está hecha de una cantidad muy limitada de tipos “elementales” de particu-las. Hay electrones y quarks “up” and “down”. Éstos últimos, en diferentes proporciones, for-man los protones y los neutrones, que, a su vez,

forman los núcleos de los átomos. Los electrones rodeanlos núcleos para formar átomos neutros. ¡Y eso es todo!Todo lo que vemos en elUniverso está formado única-mente por estas tres partículas organizadas de diferentesmaneras.

Pero lo que no vemos, la Materia Oscura, parece estarhecha en su totalidad de otro tipo de partículas. Éstas son mucho más masivas que los electrones y los quarksy, por tanto, mucho más difíciles de crear. Pero en las colisiones entre partículas altamente energéticas del uni-verso temprano se crearon en abundancia. Para estudiar-las hoy en el laboratorio tenemos que crear esas colisio-nes tan energéticas. Esto se hace en el acelerador de par-ticulas llamado LHC, Large Hadronic Colider. Allí se hacen colisionar haces de protones que se desplazan en direcciones contrarias a velocidades cercanas a la de laluz. Las colisiones resultantes producen muchas partícu-las y entre ellas esperamos que ocasionalmente alguna partícula de Materia Oscura. Esta partícula, llamadaneutralino, escapará sin ser detectada, pero si podremosobservar su firma en la forma de la colisión. Finalmentepodremos saber que es la Materia Oscura realmente a partir de los detalles de estas colisiones.

Estructura a Gran EscalaCuando nació el Universo, la distribución de materia eracasi uniforme. Casi, pero no del todo. Había pequeñas va-riaciones. La gravedad es un amplificador de las diferen-cias de densidad. Si un punto tiene una densidad mayorque otro entonces tendrá mayor atracción por gravedad, ya que la fuerza de gravedad es proporcional a la cantidadde materia. Esa mayor gravedad atraerá más materia hacia ese punto, ganando un tira-y-afloja, o simplementeatrayendo materia más rápido que otras zonas de menordensidad. Pero si áreas densas se hacen todavía más den-sas entonces su gravedad aumentará llevando a un incre-mento más acelerado.

Podemos calcular qué ocurrirá y cuándo. Debido a la gra-vedad la formación de estructuras en el universo ocurredesde la (casi) homogeneidad. Las estructuras que vemosdel Universo se formaron desde estas regiones algo másdensas. Los primeros objetos que se formaron fueron pe-queños y de poca masa. Éstos se combinaron para formarotros mayores y luego otros gigantescos. Las galaxias, lasactuales “ciudades de estrellas” que vemos actualmente se formaron de esta manera de grupos de materia más pe-queños.

Pero la distribución de galaxias o incluso clústeres de ellas no es aleatoria. Están sobre una “telaraña cósmica”de materia que es la firma de la formación de estructuraspor gravedad. Los clústeres de galaxias están conectadospor filamentos de materia de hasta muchos millones de años luz de longitud. Entre los clústeres y los filamentoshay huecos vacíos donde la materia es extremadamenterara, muchos millones de veces más escasa que entre las estrellas. Comparando la distribución de galaxias que vemos con nuestras simulaciones computacionales pode-mos predecir la cantidad y el tipo de materia que llena elUniverso

Las simulaciones nos indican que los ‘filamentos’ de materia oscura interconectan las galaxias visibles en una “telaraña” que coneta todo el universo. Fuente: Aquarius Projecthttp://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/aquarius

Física de Partículas

PhantomOfTheUniverse.comTraducido por el Planetari de Castelló para el día de la Materia Oscura de 2017

La materia normal está hecha de átomos. A cada uno de los más de un centenar de elementos quí-micos corresponde un átomo diferente. La Quí-mica es el estudio de como los átomos de estos elementos se combinan e interactuan. Pero ¿de qué están hechos los átomos? Están hechos de protones, neutrones y electrones. Su combinaciónes la que forma los diferentes átomos. Su descu-brimiento a principios del s. XX supuso un gran avance ya que en lugar de un centenar de dife-rentes átomos toda esa complejidad podía descri-birse a partir de tres partículas básicas. Y al estu-diarlas los científicos comenzaron a descubrir más y más. Desde estas tres los números volvie-ron a crecer de nuevo hasta varias docenas: el muón, el mesón tau, el psi, el hyperón,… Casi ninguna de éstas aparece en la naturaleza. Tan solo se producen en colisiones altas energías, es decir a altas velocidades. En esas colisiones la energía disponible puede dedicarse a crear nue-vas partículas. Los físicos de partículas se con-centraron en crear aceleradores de partículas cada vez mayores que son capaces de acelerar esas pequeñas cantidades de materia a velocida-des cercanas a la de la luz para hacerlas chocar unas contra otras. Estudiando los patrones de partículas que se producen en estas colisiones tan energéticas los científicos pueden aprender

de que está hecha la materia. Es parecido a estudiarrelojes de alarma haciéndolos chocar con otros a altas velocidades y revisar los restos de la colisión.¡Excepto que esos restos se desvanecen en menos de una millonésima de segundo!

Finalmente se dieron cuenta de que esos protones y neutrones, y muchas otras de las partículas que ha-bían descubierto recientemente, estaban hechas de otros componentes más fundamentales: los quarks. Aunque no es tan simple como tener solo tres par-tículas, ahora entendemos que el zoo completo de partículas descubiertas en la segunda mitad del s. XX están formadas por una combinación de tan solo 6 tipos de quarks y 6 tipos de “leptones” (par-tículas como el electrón). Este “Modelo Estándar” es uno de los grandes logros científicos del s. XX. Y, aún así, sabemos que está incompleto. Las ob-servaciones astrofísicas nos muestran que la mayor parte de la masa del Universo está en una forma que no puede estar compuesta por ninguna de las partículas del Modelo Estándar. Los físicos de par-tículas tiene pistas de que podría ser este nuevo tipo de materia y están preparando la búsqueda usando nuevos aceleradores de partículas más potentes.