Algunas partículas sirven como bloques de construcción, pero también hay otras, como el neutrino, que son principalmente partículas del fin de los tiempos. No, no me refiero al apocalipsis cristiano: quiero decir que es literalmente un producto de la decadencia general del universo. De hecho, en 1931, Wolfgang Pauli planteó la hipótesis de que los neutrinos existían porque los informes de ciertas desintegraciones radiactivas no cuadraban, y una buena manera de justificar la energía faltante era suponer que el responsable de la privación de una partícula que no había hecho esto aún no se había descubierto. Poco después de la sugerencia de Pauli, Enrico Fermi desarrolló una teoría de la desintegración radiactiva que incorporaba estas partículas y les dio el nombre de «neutrinos», que significa «pequeño neutrón» en italiano. Casi treinta años después de esta hipótesis inicial, Clyde L. Cowan y Frederick Reines los observaron por primera vez en el llamado experimento de neutrinos de Cowan y Reines, llevado a cabo en el reactor nuclear de Savannah River (Carolina del Sur). Los experimentos probaron la teoría de que cuando un antineutrino, como el que se produce en un reactor nuclear, interactúa con un protón, se forman un neutrón y un positrón. El positrón, la antipartícula del electrón, entró entonces en contacto con él y fue destruido, emitiendo dos partículas luminosas de alta energía: los rayos gamma. Los experimentos que realizaron en el río Savannah tenían como objetivo detectar estos rayos gamma y los neutrones resultantes. La combinación única de dos rayos gamma y un neutrón dejó claro que el reactor había producido un antineutrino, poniendo en movimiento toda la secuencia de eventos.
Los neutrinos no sólo son difíciles de detectar, sino también algo fabuloso. No están cargados, pero cada tipo está asociado con un leptón cargado. Esto significa que se presentan en tres variantes: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico. Nos llevó casi cincuenta años descubrir que los neutrinos tienen masa. Estaba en mi último año de secundaria cuando la revelación se hizo pública. Como su masa es tan pequeña, siempre son lo que llamamos “partículas relativistas”. Pueden viajar a velocidades cercanas al límite universal (la velocidad de la luz) y, por tanto, son muy eficaces a la hora de generar energía, por ejemplo en un escenario de desintegración nuclear. Es esta propiedad la que hace que los neutrinos sean de enorme interés no sólo desde la perspectiva de la física de partículas, sino también desde la astrofísica. Uno de los lugares donde se crean los neutrinos es en las estrellas, que los producen en grandes cantidades cuando explotan; un fenómeno conocido como supernova. Por lo tanto, recurrimos tanto a los neutrinos como a los fotones (partículas de luz) y a las ondas en el espacio-tiempo (ondas gravitacionales) para estudiar el universo. Todavía no estamos seguros de cuál es la masa del neutrino, ni podemos explicar por qué su masa es extremadamente pequeña pero aún mayor que cero. Basándonos en todo nuestro conocimiento de física, asumimos que la masa es cero o una cantidad significativa. Entonces, como no sabíamos nada sobre su masa o si tenían masa alguna, pensamos por un tiempo que los neutrinos eran algo llamado neutrinos oscuros. Sólo ha pasado una década desde que estamos seguros de que no son lo suficientemente pesados, y eso nos deja con una pregunta: ¿Qué diablos es la materia oscura?
Comencemos aquí: la materia oscura no tiene por qué ser real. El término fue acuñado en 1906 por Henri Poincaré, quien lo nombró materia oscura. Veintidós años antes, en 1884, el astrónomo inglés Lord Kelvin había teorizado que “muchas, quizás la gran mayoría, de nuestras estrellas son cuerpos oscuros”. En la década de 1920, los astrónomos holandeses Jacobus Kapteyn y Jan Oort también postularon la presencia de algo como esto. materia oscura de sus observaciones de las estrellas de la Vía Láctea y otros vecinos galácticos. En 1933, el astrofísico suizo Fritz Zwicky afirmó que había pruebas de lo que él llamaba en alemán material oscuro, esta vez basado en observaciones de cúmulos de estrellas. El astrónomo estadounidense Horace Babcock proporcionó más pruebas en 1939, y para entonces ya se había establecido el nombre de “materia oscura”; Aunque no tenía sentido, porque el problema no era que estuviera oscuro, sino que era imperceptible e invisible.
La distinción es relevante cuando consideramos la primera evidencia verdaderamente significativa de la existencia del materia oscura, que surgió en las décadas de 1960 y 1970, gracias en gran parte al uso creativo por parte de Vera Rubin de un nuevo espectrógrafo diseñado por Kent Ford. Este espectrógrafo divide la luz en diferentes colores y el Dr. Rubin fue el primer científico en darse cuenta de que podía utilizarse para medir la velocidad de las estrellas galácticas con una precisión sin precedentes. Los resultados mostraron que había un claro desajuste entre la velocidad a la que las estrellas deberían girar alrededor del centro de la galaxia (si las estrellas fueran la única materia en la galaxia) y la velocidad a la que realmente se movían. Si toda la masa de una galaxia está contenida en estrellas y polvo, podemos calcular el tamaño de esa galaxia observando cuánta radiación recolectamos de ambos. Existe una hermosa ecuación física que nos da la conexión entre luminosidad – brillo – y masa; y otro que nos da la conexión entre la masa de una galaxia y la velocidad a la que las estrellas orbitan su centro. Es una de las leyes de Newton y se enseña en la escuela secundaria. Pero en el caso de las galaxias nos topamos con un problema. La masa resultante de todas las estrellas combinadas a partir de sus velocidades orbitales no coincide con la masa calculada a partir de las mediciones de luminosidad. La velocidad orbital sugiere que debería haber una masa mucho mayor.
Esto sugiere nuevamente que falta una enorme cantidad de materia; o en otras palabras, la existencia de una materia invisible. Hay otras soluciones posibles, como que nuestra teoría de la gravedad es incorrecta (lo abordaré más adelante), pero por ahora me centraré en la idea más popular de que necesitamos saber dónde está la materia que falta o, de lo contrario, , nuestros dos datos cuidadosamente recopilados no coinciden. Al observar los movimientos de las galaxias, los científicos se dieron cuenta por primera vez de que el problema de la materia perdida era un problema real y grave. Pero esa no fue la única pista, y hoy en día existen varias discrepancias que no pueden explicarse incluyendo la «materia oscura» en la ecuación.
Todo lo que no sabemos
La materia oscura es esencialmente un recordatorio de cuánto desconocemos sobre el universo. El modelo estándar de física de partículas no puede comprenderlo todo. Gracias a una serie de mediciones astronómicas, creemos (es decir, la mayoría de los cosmólogos y físicos de partículas) que el 80 por ciento de la materia del universo es lo que ahora se llama materia oscura. Nuestra comprensión actual del universo sugiere que los componentes de todo lo que hemos visto hasta ahora (la materia que nos constituye) sólo constituye alrededor del 20 por ciento de todo el universo. El resto es materia oscura. Y si, como nos enseñó Einstein, ampliamos nuestra definición de materia para incluir la energía, el desglose es aún más turbio: el 5 por ciento sería materia en el Modelo Estándar, el 5 por ciento sería materia cubierta en el Modelo Estándar; 25 por ciento de materia oscura (sea lo que sea); y 70 por ciento de energía oscura. Resulta que, después de todo, el modelo estándar no lo es todo. De hecho, puede que sólo explique el 5 por ciento del contenido de materia y energía del universo. En otras palabras: los bariones, el modelo estándar, la materia cotidiana… ¿nosotros? Somos muy extraños, una completa anormalidad. Y no me refiero sólo a los físicos, me refiero a todos nosotros, incluidas las secuoyas, nuestro planeta, todo nuestro sistema solar. La mayor parte del espacio está vacía, y las partes que no lo están parecen estar prácticamente llenas de un tipo de materia invisible para nosotros. Todavía no hemos descubierto si hay alguna manera de que nuestros instrumentos científicos se acerquen a él. No sabemos si es un tipo de partícula o si hay más de mil. (…) Lo único que sabemos es que esta materia invisible es responsable de mantener unidas nuestras galaxias y que juega un papel fundamental en la creación de la materia que podemos ver.
La pregunta más obvia que podría plantearse aquí es simplemente por qué el modelo estándar no tiene en cuenta una partícula de materia oscura. La respuesta: La estructura del Modelo Estándar no es decisión nuestra. Estamos sujetos a las limitaciones de las estructuras matemáticas de nuestras teorías y datos experimentales. El problema con la materia oscura es que nunca la hemos visto antes y no hay lugar para ella en el Modelo Estándar según lo que hemos observado. Además, su mala reputación literalmente no ayuda con las relaciones públicas. Más bien deberíamos llamarla “materia invisible”, “materia transparente” o “materia clara”. Voto por la materia invisible o transparente porque la materia clara me recuerda un período particularmente malo en la gestión de productos de Pepsi (para ellos). Millennials y generaciones posteriores, basta decir que Crystal Pepsi, también comercializada como Pepsi Clear, llegó con una campaña de marketing (incluido un anuncio de SuperBowl muy publicitado que terminó en un desastre tanto para Pepsi como para una canción popular de Van Halen).
La primera pregunta que se hizo, por supuesto, fue si era posible una explicación utilizando partículas del Modelo Estándar, y durante mucho tiempo, incluso hasta hace poco, los neutrinos fueron fuertes candidatos. Los neutrinos no son completamente invisibles: producen cierta interacción con fuerzas electromagnéticas y, por tanto, emiten luz; Sin embargo, la interacción es tan pequeña que resulta prácticamente imperceptible. Sin embargo, lo que he aprendido sobre los neutrinos durante la última década muestra que no es posible que representen la mayor parte de la materia invisible que estamos buscando, por la sencilla razón de que no tienen suficiente masa. Para explicar adecuadamente toda la materia faltante, cada neutrino tendría que tener una masa cientos o incluso miles de veces mayor que su propia masa. Actualmente se supone que el estudio de la materia oscura “va más allá de la física del Modelo Estándar”. Se cree que esta materia invisible está formada por una partícula que aún no hemos observado. Se trata nuevamente de uno de esos problemas cruciales para un físico: puedes acabar ahogándote tanto que dediques toda tu vida a este tema.
El cosmos desordenado
Título: El cosmos desordenado. Un viaje a la materia oscura, el espacio-tiempo y los sueños desplazados
Autor: Chanda Prescod-Weinstein
A la venta: 6 de noviembre
Precio: 24€
Páginas: 328 páginas
Editorial: Capitán Swing
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