Búsqueda de materia oscura a través del espejo

El cerco a la materia oscura se estrecha. Los científicos tratan de conocer por todos los medios qué compone ese 26% del universo todavía desconocido mediante diferentes experimentos, cada uno con su propio candidato para formar el 'lado oscuro' del cosmos: WIMPs (partículas masivas que interactúan débilmente), neutrinos o axiones son algunas de las partículas que postulan las teorías más populares.

Dentro del sector que busca materia oscura 'ligera' se encuentra el fotón 'oculto' (hidden photon), que, a diferencia del fotón que nos trae la luz de las estrellas, tendría una pequeña masa y casi no interactuaría con la materia ordinaria que nos compone. Científicos europeos, entre los que se encuentran físicos de la Universidad de Zaragoza, construyen en Alemania el primer experimento específicamente diseñado para su detección.

El experimento tiene el sonoro nombre de FUNK, Finding U(1)'s of a Novel Kind. Consiste en un espejo cóncavo de unos 13 m² con un detector muy sensible en el centro de curvatura. Forma parte de un prototipo esférico para desarrollar los telescopios de fluorescencia del observatorio Pierre Auger (Malargüe, Argentina), una de las técnicas con las que los científicos detectan las partículas cargadas procedentes de las interacciones que producen los rayos cósmicos cuando inciden en la atmósfera. Ahora, este espejo está en una sala blindada de hormigón en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) donde resulta sencillo aislarlo de la luz ambiente.

"El experimento ha de ser montado en una sala oscura para energías en el visible, una fría para el infrarrojo, una fría y anecoica para microondas", explica Javier Redondo, investigador de la Universidad de Zaragoza participante en el proyecto. De momento ya han conseguido la oscuridad que requieren para buscar la materia oscura.

"El objetivo es detectar fotones ocultos o hidden photons, un tipo de partícula que apenas interactúa con la materia y atraviesa fácilmente cualquier objeto", continúa Redondo. "Cuando atraviesan una superficie pulida de alta reflectividad (un espejo) tienen una pequeña probabilidad de convertirse en un fotón ordinario, que sería captado por el detector situado en el centro del espejo. Esa 'pequeña probabilidad' es de menos de 10^-18 siendo optimistas, lo que da una idea de lo penetrantes que resultan estas partículas".

De momento, los fotones ocultos solo han aparecido en teorías que intentan explicar la naturaleza a distancias muy pequeñas, como la teoría de cuerdas. Al igual que el fotón es la partícula elemental que manifiesta la existencia de una de las cuatro interacciones elementales de la naturaleza (el campo electromagnético), y el bosón de Higgs revela la existencia de un campo (de Brout-Englert-Higgs) que otorga masa a las partículas elementales, "el fotón oculto sería la partícula de un nuevo campo parecido al electromagnético, pero que se acopla (interactúa) muy débilmente con la materia ordinaria", describe Redondo.

Sin embargo, a diferencia del fotón ordinario los fotones ocultos podrían tener masa. "Si una partícula interactúa débilmente, tiene masa y su vida media es mayor que la edad del universo, es una excelente candidata para formar la materia oscura", asegura el investigador español.

"Algunos estudios demuestran que durante el Big Bang se puede producir la cantidad justa de fotones ocultos para explicar toda la materia oscura que sabemos que hay en el universo. Esto puede ocurrir mediante colisiones entre partículas del plasma primordial (algo parecido a la sopa de quarks, gluones, electrones y muones que reproduce el LHC en un tipo de colisiones) pero también mediante fluctuaciones cuánticas durante la inflación o durante una transición de fase”.

Detectar una señal de fotones ocultos en FUNK revelaría la existencia de una nueva partícula, pero a partir de ahí el trabajo es ingente para saber cómo formaría la materia oscura. Según Redondo, la masa del fotón oculto se convierte en la energía del fotón ordinario emitido (y detectado) según la famosa ecuación de Einstein que relaciona ambas magnitudes. Entonces, midiendo la energía de los fotones sabríamos cual es la masa del fotón oculto, pero esto sólo sería el principio.

Parecido a la física de neutrinos

"Además de la energía de cada fotón, se puede medir la cantidad de fotones detectados por unidad de tiempo, algo proporcional a la probabilidad de conversión de fotones ocultos a fotones ordinarios y a la cantidad de fotones ocultos que cruzan el espejo. Como no sabemos qué fracción de la materia oscura esta formada por fotones ocultos, de nuestra medida sólo obtendríamos un límite inferior a la probabilidad, pero casi todos los experimentos de materia oscura adolecen de esta circunstancia", admite Redondo.

La probabilidad de conversion depende de lo que los físicos llaman 'ángulo de mezcla' entre el fotón oculto y el fotón ordinario. La física recuerda mucho a la de neutrinos, partículas elementales descubiertas en la década de los 50 (predichas 20 años antes) de las que aún se estudian sus propiedades, entre ellas los ángulos de mezcla que rigen algunas de sus transformaciones.

Según Javier Redondo, FUNK tiene la sensibilidad para detectar fotones ocultos trabajando con el espectro visible y el de microondas, algo que pondrán en práctica este año. La idea del experimento fue concebida en un congreso científico en DESY Hamburgo, cuando físicos expertos en teoría y fenomenología de fotones ocultos entraron en contacto con radioastrónomos y físicos de astropartículas que identificaron las posibilidades del espejo de Auger en Karlsruhe.

De momento, los científicos cuentan con una pequeña financiación de DESY y el apoyo del Instituto de Tecnología de Karlsruhe para llevar adelante la primera aproximación a los fotones ocultos. Algunos detalles de la investigación se han publicado en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.