Veinte años después, se podrá conocer la verdad sobre la única detección de materia oscura

En la década de 1930, el astrónomo suizo Fritz Zwicky observó que algunos grupos de estrellas se movían más rápido de lo que debían. La masa visible no justificaba su velocidad y el científico planteó que debía existir una materia oscura que explicase su movimiento. Desde entonces, el concepto se ha convertido en una idea fundamental para explicar el cosmos, aunque sea como parte de una gigantesca incógnita. La materia visible, como la que componen los planetas o las estrellas, solo supone el 5% del universo. La materia oscura, de la que solo vemos sus efectos indirectos, es el 25%. El resto, la aún más misteriosa energía oscura.

Existen proyectos por todo el mundo que intentan producir o detectar la materia oscura, pero hasta ahora nadie ha tenido éxito. O nadie ha tenido un éxito reconocido por la comunidad científica. Desde hace más de veinte años, un equipo liderado por la profesora de la Universidad de Roma Rita Bernabei afirma que ha atrapado la materia oscura. Su supuesto logro se obtuvo gracias a DAMA, un detector de 100 kilos de yoduro de sodio instalado en un laboratorio enterrado a más de un kilómetro de profundidad, en el interior del Gran Sasso, en los Apeninos italianos. Ese detector era una sofisticada trampa para capturar algunas de las WIMPs (partículas masivas de interacción débil que, en teoría, conforman la materia oscura), que emitirían un destello luminoso al chocar contra alguno de los átomos del detector.

En 2021, los experimentos COSINE y ANAIS habrán acumulado datos suficientes para tener resultados fiables

La idea para observar un tipo de materia tan escurridizo la propuso en 1986 la investigadora de la Universidad de Texas (EE UU) Katherine Freese, que planteó que se podrían observar diferencias en la cantidad de materia oscura que atraviesa nuestro planeta en distintas épocas del año. Orbitamos alrededor del Sol que a su vez orbita dentro de nuestra galaxia acompañando al invisible halo de materia oscura. Como si se tratase de una nube de mosquitos que avanza, cuando siguiésemos su misma dirección a su misma velocidad, el número de impactos contra nuestro vehículo, sería menor, pero cuando al llegar al punto de nuestra órbita en el que cambiamos de dirección comenzásemos a avanzar contra la nube, se vería un incremento en el número de impactos. Ese pico de impactos es lo que observa alrededor del mes de junio el equipo de Gran Sasso desde 1997. Y las mismas observaciones han sido confirmadas por el mismo equipo y en el mismo lugar con un detector mejorado de 250 kilos de yoduro de sodio.

El problema para Bernabei y los suyos es que no es tan sencillo construir un detector con las características y la sensibilidad necesaria para que los resultados sean comparables. El choque de una partícula de materia oscura contra una de materia normal es algo tan extraño que no es sencillo aislarlo de cualquier otro fenómeno y hasta ahora, los esfuerzos para replicar el experimento no han podido ofrecer una respuesta concluyente.

Experimentos como CDMSII, instalado en la mina de Soudan, en Minnesota (EE UU), o Xenon 10, en el mismo laboratorio de Gran Sasso, no lograron encontrar la señal de materia oscura en el mismo rango energético que DAMA/LIBRA. Otro como CRESST, también en el laboratorio subterráneo italiano, obtuvo una señal, pero era demasiado débil y no parecía coincidir exactamente con la del equipo de Bernabei. En 2017, una versión mejorada de Xenon 10, Xenon 100, no encontró señal alguna de materia oscura buscando donde DAMA encuentra su señal, pero una vez más, se planteó la posibilidad de que al emplear xenon como material para atrapar las partículas en lugar de yoduro de sodio los resultados podían no ser comparables.

Según recordaba recientemente la revista de física de partículas Symmetry, después de dos décadas de controversia, el fin a la incertidumbre puede estar cerca. Ya hay varios experimentos en marcha diseñados para tener resultados comparables sin dudas. Uno de ellos, ANAIS, liderado por la Universidad de Zaragoza e instalado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (España), también utiliza yoduro de sodio. Comenzó a recoger datos en 2017 y en los próximos años habrá acumulado una cantidad suficiente para que sea estadísticamente significativa.

Si los resultados son positivos, se podría empezar a saber qué compone el 25% de todo el universo, hasta ahora desconocido

Otro de ellos es COSINE 100, un detector que también utiliza cristales de yoduro de sodio que a su vez están sumergidos en 2000 litros de líquido para reducir el ruido de fondo que provocan otro tipo de partículas y dificultan ver las débiles interacciones de la materia oscura. Este proyecto, instalado en Corea del Sur, comenzó a tomar datos en 2016 y en diciembre de 2018 publicó sus primeros resultados en la revista Nature. Según el artículo, era muy improbable que los resultados de DAMA/LIBRA coincidiesen con las características que el Modelo Estándar, la teoría que explica el comportamiento de la materia a nivel subatómico, atribuye a la materia oscura que ocupa el halo galáctico. No obstante, el experimento necesita acumular datos durante al menos dos años más para tener datos suficientes que digan si esas variaciones en las señales que captan los detectores de DAMA en las distintas épocas del año existen o si se pueden atribuir a la materia oscura.

Reina Maruyama, una investigadora de la Universidad de Yale que ha recibido financiación de la National Science Foundation para poner a prueba los resultados de DAMA con COSINE aseguraba a Symmetry que “con cinco años de funcionamiento del experimento, si la señal está ahí, en 2021, deberíamos ser capaces de verla”. “Si no está ahí, aunque esto es más difícil de hacer, también seremos capaces de refutarla”, añade.

Si tanto ANAIS como COSINE confirman los resultados de DAMA, el siguiente paso sería volver a buscar la misma fluctuación desde un detector en el hemisferio sur. Con ese objetivo está previsto que este mismo otoño comience en una antigua mina de oro en Australia la construcción del experimento SABRE. Después, se trataría de comenzar a analizar la señal para conocer detalles como la masa y empezar a describir la naturaleza de esos WIMPs que componen la materia oscura. En caso de que el resultado fuese negativo, habría que seguir buscando por otro lado, aunque aún quedaría por resolver de dónde viene esa fluctuación misteriosa que, desde hace 20 años, Rita Bernabei y los suyos dicen que es la primera detección de materia oscura.