Materia escura ao redor da Terra?

Partículas de materia escura poderían estar a interactuar coa alta atmosfera da Terra

Hai só uns días, científicos do Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos rexistraron o sinal máis claro de materia escura conseguida ata a data. Os resultados apuntaban a que esta estraña substancia ’invisible’ está composta por partículas masivas que interactúan debilmente, coñecidas polas súas siglas en inglés como WIMPs.

Agora, con todo, investigadores das universidades xaponesas de Kyoto, Hiroshima e Nihon acaban de darlle un xiro inesperado á maior ’cacería científica’ das últimas décadas ao inclinar a balanza cara a outros dous posibles candidatos: os axións ultralixeiros e os fotóns escuros. Eles, de feito, poderían ser os responsables dun misterioso sinal detectado ’aquí mesmo’, ao redor da Terra.

A materia escura segue sendo o gran ’elefante no cuarto’ da cosmoloxía moderna. Os astrónomos saben perfectamente que está aí polos enormes efectos gravitatorios que exerce sobre as galaxias, mantendo unidas as súas estruturas. Con todo, non emite, non reflicte e non absorbe a luz. Polo que resulta do todo invisible para calquera dos nosos telescopios. Representa ao redor do 27% da masa total do Universo, fronte á minúscula fracción da materia ’normal’ (menos dun 5%) que compón todo o que podemos ver, medir e tocar. Pero de que está feita exactamente a materia escura? Ata o día de hoxe, ninguén o sabe.

Á parte dos WIMPS, que neste momento é a hipótese dominante, outros dous dos candidatos teóricos favoritos dos físicos para explicar a materia escura son unhas partículas hipotéticas coñecidas como axións ultralixeiros e fotóns escuros. Trátase de ’pantasmas’ subatómicas verdadeiramente minúsculos: no rango de masa examinado por esta nova investigación, estas partículas serían unhas 10.000.000.000.000.000.000 (entre 19 e 21 ordes de magnitude) veces máis lixeiras que un simple electrón. Unha gran diferenza cos WIMPS, moito máis pesados e cuxa masa estaría entre 20.000 e 20 millóns de veces a do electrón.

Detectar algo tan extremadamente esquivo é un auténtico pesadelo técnico. Durante anos, enormes esforzos internacionais construíron detectores baixo terra para esquivar a radiación cósmica e detectar as escasísimas interaccións que poderían producirse entre partículas de materia escura e materia convencional.

Experimentos de vangarda, como o LUX-ZEPLIN (LZ) coordinado por Berkeley (o que levou a cabo a posible detección dun WIMP hai uns días), empregan grandes tanques cheos de toneladas de xenon líquido ultrapuro para atrapar o tenue e case inexistente choque destas partículas escuras. Paralelamente, outros proxectos utilizaron potentes imáns en recintos de laboratorio para forzar aos hipotéticos axións a transformarse en luz ordinaria.

Pero o problema, como ocorre a miúdo en ciencia, é unha cuestión de escala. Porque por moi potente que sexa un imán de laboratorio, o seu radio de acción é ridículo comparado co tamaño do cosmos. E aquí é onde entra en xogo a idea do equipo xaponés, liderado por Atsushi Taruya, cuxo traballo acaba de publicarse en Progress of Theoretical and Experimental Physics. En lugar de construír un novo detector confinado entre catro paredes, por que non utilizar o mundo enteiro?

«Preguntámonos -afirma Taruya- se poderiamos usar a Terra mesma como un detector xigante na procura. A cavidade entre a Terra e a ionosfera actúa como un resoador natural que amplifica as ondas electromagnéticas xusto ao redor do rango de masa que queriamos sondar».

De feito, o espazo comprendido entre a superficie terrestre e a ionosfera (unha capa cargada eléctricamente no alto da atmosfera) funciona de forma similar á caixa de resonancia dunha guitarra, aínda que moitísimo maior. E resulta que esta xigantesca cavidade é o escenario perfecto para amplificar as débiles perturbacións electromagnéticas que xerarían os axións e fotóns escuros ao chocar co noso campo magnético.

O camiño non foi sinxelo. Os modelos teóricos previos quedaban moi curtos, pois só eran capaces de describir de forma fiable frecuencias por baixo de 1 hercio (Hz). Quedaba, por tanto, un enorme e valioso rango de frecuencias sen explorar. Para solucionalo, os investigadores desenvolveron un novo e complexo marco matemático que inclúe, por primeira vez, a condutividade eléctrica real da nosa atmosfera. Así, descubriron que o planeta amplifica con enorme eficacia os sinais próximos aos 8 Hz, o que lles permitiu realizar predicións sumamente fiables de ata 30 Hz.

Con este modelo na man, o equipo analizou minuciosamente dez anos de medicións do campo xeomagnético da Terra, datos recompilados entre 2012 e 2022 polo Observatorio de Eskdalemuir do Servizo Xeolóxico Británico. Tras limpar matematicamente o constante ’ruído’ xerado pola actividade humana, buscaron un sinal constante, escondida nunha banda de frecuencia moi estreita, que delatase a presenza prolongada de materia escura.

Os resultados son esperanzadores. Ao utilizar a Terra enteira como escudo e antena, os investigadores estableceron límites cen veces máis estritos sobre a forza coa que os axiones poden interactuar coa luz, superando de golpe ao mellor experimento terrestre existente. Estes novos límites compiten cara a cara coas medicións astrofísicas dos impoñentes observatorios espaciais de raios X da NASA, como Chandra e NuSTAR. Ademais, o modelo predí que os sinais dos axións variarían xeograficamente, alcanzando a súa máxima intensidade sobre o sueste asiático.

Pero a maior sorpresa chegou ao aplicar o método aos fotóns escuros. A diferenza dos axións, estas partículas non necesitan que haxa un campo magnético presente para emitir ondas electromagnéticas. E ao rastrexar os datos, os científicos identificaron varias ’sinais candidatas’ persistentes que encaixan co perfil exacto dunha orixe ligada á materia escura.

Os autores, como é lóxico, piden máxima prudencia: a orixe destes sinais segue sendo descoñecido e aínda non se poden confirmar como unha proba irrefutable de materia escura, xa que outras interferencias exóticas poderían estar a enganar aos instrumentos. Sexa como fose, a verdadeira identidade da materia escura segue oculta, pero o equipo de Taruya demostrou que a resposta aos nosos grandes interrogantes cósmicos podería estar, de forma literal, vibrando silenciosamente no mesmísimo aire que nos rodea.

FONTE: José M. Nieves/abc.es/ciencia