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Los neutrinos y la materia oscura, la última frontera de la física

Hace ya ochenta años que Wolfgang Pauli predijo la existencia de los neutrinos, unas partículas sin apenas masa, sin carga eléctrica y que se mueven a la velocidad de la luz aunque ya entonces predijo que sería casi imposible detectarlos. Para detectarlos, se han construido algunas de las máquinas más sensibles realizadas por el hombre y cuando ya parece que es posible confirmar su existencia y se sabe que viajan a la velocidad de la luz no dejan de aparecer nuevas preguntas. ¿cuál es su función en el edificio cósmico? ¿están relacionados con la materia oscura?

Estos detectores se ubican en el fondo del mar o en laboratorios subterráneos. Así, “el material que tenemos entre el detector y la atmósfera actúa de pantalla y filtra todas las partículas menos los neutrinos”, que son capaces de “pasar a través de la Tierra, del plomo o de nosotros mismos”, comenta Sergio Pastor, investigador del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia), en declaraciones a DiCYT.

“Aunque hay muchísimos, podemos detectar muy poquitos”, asegura. Por eso, sigue siendo un reto para la ciencia medir los neutrinos que tienen más energía y los que tienen menos. “Pensamos que tienen que estar ahí pero hasta ahora solo hemos hallado los intermedios”, apunta el investigador del IFIC.

Detector de neutrinos

Los neutrinos saltaron a las primeras páginas de los periódicos cuando en 2011 un experimento del Centro Europeo de Física de Partículas (CERN) reveló que estas partículas viajaban supuestamente 20 nanosegundos más rápido que la luz en el vacío, lo cual era contrario a la Teoría de la Relatividad de Einstein, pero más tarde se ha comprobado en varias ocasiones que todo fue un error. “Varios experimentos han confirmado que viajan a la misma velocidad que la luz, así que fue un problema a la hora de medir el tiempo que pasaba desde que se lanzaban hasta que eran detectados”, explica el físico.

Las aportaciones españolas

Aunque con cierto retraso, España se ha incorporado a este campo de la investigación, en la actualidad participa en muchos experimentos y hay físicos teóricos que contribuyen a estudiar su naturaleza. Sergio Pastor y su equipo buscan “efectos de los neutrinos en distintas situaciones o cómo darles masa”, mientras que otros expertos españoles están directamente involucrados en los experimentos de detección.

El científico del IFIC está en Salamanca con motivo de la reunión del proyecto Multimessenger Approach for Dark Matter Detection o Método de Multimensajeros para la Detección de la Materia Oscura, conocido como Multidark. “La materia oscura es mucho más extraña, aún no la hemos detectado, pero es posible que los neutrinos que proceden de lugares como el centro del Sol o el centro de nuestra galaxia sean una señal de su existencia, así que hay cierta relación entre las dos cosas”, comenta.

Aunque es difícil pensar en las aplicaciones que puede tener el conocimiento de estas escurridizas partículas, los detectores de neutrinos pueden servir para monitorizar la actividad de los reactores nucleares y controlar su uso pacífico. “Un reactor nuclear es una fuente muy potente de neutrinos, así que si colocamos un detector en el exterior podríamos ver cómo funciona y obtener información importante, por ejemplo, si se ha extraído plutonio para armas nucleares en el caso de los países sospechosos de hacerlo”, apunta Sergio Pastor.


Fuente: Agencia Iberoamericana para la Divulgación de la Ciencia y la Tecnología (http://www.dicyt.com)

Buscando la materia oscura con un telescopio de rayos X

Se supone que la mayor parte de las fuerzas gravitatorias que mantienen unido a nuestro Universo proceden de alguna clase de materia oscura, o al menos la mayoría las teorías cosmológicas vigentes sostienen que es imprescindible su existencia para que el espacio no se expanda a velocidad ilimitada. Otra cosa es comprobar su existencia y evitar volver a caer en errores como el éter que llenaba todo el espacio para explicar la trasmisión de las ondas en el vacío espacial. Pero por su propia naturaleza, la identificación de esa materia oscura es más difícil de lo que podía pensarse y ahora el telescopio espacial de la ESA XMM-Newton, hecho para recibir rayos X, dedicará parte de su tiempo de observación a buscar esa materia oscura durante un tiempo de 1,4 millones de segundos (aproximadamente 16 días) apuntando hacia la vecina galaxia Draco, a unos 260.000 años luz de distancia. Esta galaxia enana es una galaxia satélite de la Vía Láctea y forma parte de nuestro grupo local de galaxias.

Este ambicioso nuevo objetivo indica que XMM-Newton ha superado con creces las expectativas puestas en él en su lanzamiento en diciembre de 1999. Este telescopio estudia procesos hasta hace poco desconocidos para los astrónomos, porque emiten sobre todo un tipo de radiación no detectable desde Tierra -los rayos X-. Eso ha permitido a XMM-Newton ser pionero en muchas áreas, desde el estudio de los agujeros negros al de las mayores estructuras del universo, los supercúmulos de galaxias.

Pero en su 15 cumpleaños el equipo científico de XMM-Newton, en el Centro Europeo de Astronomía Espacial (ESAC), de la ESA, en Villanueva de la Cañada (Madrid), prefiere mirar al futuro: “XMM-Newton todavía tiene previsto ayudar a resolver muchas preguntas abiertas, desde cómo influyen las estrellas en los planetas que las rodean y en sus posibilidades de albergar vida, o como son los cometas que nos traen información sobre el viento solar, el sistema solar primitivo y el origen de la vida en la tierra, hasta cuestiones fundamentales sobre el Universo mismo, como cuál es la naturaleza de la materia oscura”, dice la astrofísica Maria Santos-Lleo (ESAC).

XMM-Newton detectó el año anterior una señal no atribuible a ningún fenómeno conocido en varios cúmulos de galaxias, en la galaxia M31 y también en el centro de nuestra propia galaxia. Una posibilidad es que esa enigmática emisión proceda de la desintegración de un tipo exótico de partícula conocida como ‘neutrino estéril’, predicha por la teoría, pero aún no detectada, y considerada candidata a formar la materia oscura.

Tal vez el veterano XMM-Newton aclare por fin el misterio.

XMM-Newton

 

Hacia la comprensión de la energía oscura y la radiación del fondo cósmico

La investigadora Irene Sendra del Departamento de Física Teórica e Historia de la Ciencia en  la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) se ha asomado al universo más antiguo para estudiar la radiación de fondo de microondas, el ‘eco’ que quedó tras el Big Bang.

“Es la prueba más lejana que tenemos del universo, y su estudio nos dice que el número efectivo de neutrinos –partículas subatómicas sin carga y casi sin masa– es superior a tres”, explica la investigadora. “Sin embargo, realmente sabemos, por el modelo estándar, que solo hay tres tipos de neutrinos. Por lo tanto, tenemos un valor un tanto malsonante, y tratamos de explicar ese exceso”.

Hacia-la-comprension-de-la-energia-oscura-y-la-radiacion-del-fondo-cosmico_image365_La propuesta de Sendra, cuyos detalles se han publicado en la revista Physical Review, va en la dirección de la teoría de cuerdas, que considera a las partículas como ‘estados vibracionales’ de un objeto más básico denominado ‘cuerda’.

Según sus resultados, el exceso de neutrinos se puede interpretar como la contribución de ondas gravitacionales primordiales, producidas por la interacción de cuerdas cósmicas en la época en la que se produjo el fondo cósmico de microondas.

Desvelar misterios ‘oscuros’

El complejo estudio es el último publicado de una serie de investigaciones de la científica, interesada también por desvelar los misterios de la energía y la materia oscura. Ya en su tesis proponía la hipótesis de que la energía oscura podría ser dinámica.

Hasta ahora el modelo más aceptado, conocido como Lambda-CDM, explica la aceleración del universo por medio de una constante cosmológica, cuya ecuación de estado se considera tendría un valor de -1. Este valor se mantendría constante a lo largo de toda la evolución del universo. Sin embargo, algunas observaciones no se ajustan a este modelo.

“Nosotros buscamos una energía oscura dinámica que varía con el tiempo, aplicamos varios modelos a los datos observacionales, jugamos con pequeñas perturbaciones, y hemos visto que sí se ajustan mejor que una constante”, explica Sendra, que ha utilizado herramientas matemáticas para el trabajo.

El Premio Nobel Adam Riess participa en las investigaciones sobre energía oscura dinámica

“A través de muchas iteraciones, vemos qué valores tomarían las constantes de nuestro modelo. La ecuación de estado de la energía oscura ahora vale prácticamente -1, pero parece haber evolucionado desde valores distintos en el pasado –señala–, sin embargo, persiste aún un porcentaje de error grande en la determinación de esos valores”.

Según los cálculos de Sendra, estos datos son consistentes con una energía oscura dinámica, que variaría con el desplazamiento hacia la banda roja del espectro del universo. Resultados aún no publicados, obtenidos en colaboración con el Premio Nobel de Física de 2011 Adam Riess, ahondan en esta dirección.

Por otra parte, la investigadora también ha propuesto un nuevo modelo que unifica la energía oscura con la materia oscura: “Podrían ser una misma cosa que se manifiesta de diferente manera según el contexto. Nosotros hemos explicado mediante una única componente el efecto de las dos, y las observaciones dan mejores resultados que otras propuestas donde también se intenta unificar materia y energía oscura”.

Referencias bibliográficas:

Sendra and T.Smith, “Improved limits on short-wavelength gravitational waves from the cosmic microwave background”. Phys.Rev.D85: 123002, 2012.

Sendra and R. Lazkoz, “SN and BAO constraints on (new) polynomial dark energy parametrizations: current results and forecasts”. Mont. Not. Roy. Astron. Soc. 422: 776-793, 2012.