Las mediciones de los rayos cósmicos pueden ayudar a entender la materia oscura

Los datos de los cinco años de actividad del detector de la estación espacial internacional constituyen un desafío al modelo convencional y sorprenden por la cantidad de antimateria observada

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La comprensión de la materia oscura –uno de los temas abiertos más fascinantes de la física contemporánea– puede estar menos lejana de lo que hasta ahora se imaginaba. El balance de cinco años de operación del AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer), el detector instalado en la estación espacial internacional (International Space Station – ISS) con el objetivo de medir rayos cósmicos antes de su interacción con la atmósfera terrestre, aporta resultados prometedores en tal sentido.

El CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, transmitió en directo la presentación de los resultados, a cargo del investigador principal del experimento, el Premio Nobel de Física Samuel Ting, el pasado 8 de diciembre de 2016. El AMS-02, que orbita la Tierra a alrededor de 360 kilómetros de su superficie, ha registrado hasta el momento más de 90 mil millones de eventos de rayos cósmicos.

Científicos de 56 instituciones de 16 países participan en el experimento. Al frente del mismo se encuentra el Departamento de Energía de Estados Unidos. E integra ese equipo la física Manuela Vecchi, docente del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC- USP), en Brasil, que cuenta con el apoyo de la FAPESP.

“Durante estos cinco primeros años de observación, publicamos varios artículos en Physical Review Letters. Entre ellos el intitulado Antiproton Flux, Antiproton-to-Proton Flux Ratio, and Properties of Elementary Particle Fluxes in Primary Cosmic Rays Measured with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station, en agosto de 2016. La abundancia y la precisión de los datos obtenidos por el AMS-02 ponen en cuestión los modelos convencionales sobre el origen y la propagación de los rayos cósmicos”, declaró Vecchi a Agência FAPESP.

En la colosal cantidad de eventos registrados por el artefacto –constituidos por partículas producidas fuera del Sistema Solar que se propagan en el espacio a velocidades cercanas a la de la luz–, la detección de antimateria, antielectrones (positrones) y antiprotones fue de especial interés.

“Se trata de una fracción sumamente pequeña de la radiación cósmica, a razón de una por cada 10 mil partículas. La detección de esas antipartículas constituye un enorme desafío, pues el fondo de protones es enorme y domina los registros. Sin embargo, al combinar distintas técnicas de detección, el AMS-02 logra medirlas con gran precisión. Y esto resulta fascinante, porque las antipartículas son ‘ventanas’ hacia la búsqueda indirecta de la materia oscura”, afirmó la investigadora.

Para entender tal relación, es necesario recordar una idea central de la cosmología contemporánea. De acuerdo con la teoría del Big Bang, al formarse hace alrededor 14 mil millones de años, el Universo tenía la misma cantidad de materia que de antimateria. Sin embargo, una ruptura espontánea de la simetría, acaecida durante una transición de fase del universo primordial, generó un pequeño excedente de materia, del orden de una partícula extra de ésta por cada 10 mil millones de pares de partículas y antipartículas. Todo el Universo conocido actualmente, con sus galaxias, estrellas, planetas y otros objetos materiales, se habría originado de ese excedente. Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa recibieron el Premio Nobel de Física en 2008 por sus estudios referentes a la ruptura espontánea de la simetría.

Esto explicaría por qué no encontramos antimateria en forma estable actualmente en el Universo. En el modelo vigente de rayos cósmicos, la producción de positrones y antiprotones se explicada en función de las interacciones de las partículas materiales durante su propagación en el medio interestelar. Pero las mediciones realizadas con el AMS-02 suministraron una cantidad de antipartículas mayor que la esperable con base en los procesos astrofísicos convencionales.

“Sabemos que la propagación de rayos cósmicos en el medio interestelar lleva a la producción de positrones y antiprotones. Y sabemos calcular también el flujo esperable de esas antipartículas en función de la energía. Un exceso de eventos relacionados con las previsiones requiere que se contemplen otros fenómenos físicos para explicar esa diferencia. Ese exceso ya había sido detectado por el satélite PAMELA en 2008. Y fue confirmado con gran precisión por el AMS-02”, informó Vecchi.

Y es entonces cuando entra en escena la materia oscura. Sucede que una hipótesis bastante plausible indica que se estarían produciendo pares de partículas y antipartículas en grandes cantidades debido a la aniquilación de materia oscura. Cabe tener en cuenta que, de acuerdo con los cómputos actuales, el 73% del contenido del Universo estaría constituido por energía oscura, un 23% por materia oscura y tan sólo un 4% por la materia conocida. “Yo no diría que la materia oscura es la única fuente de la antimateria de los rayos cósmicos. Pero, sin lugar a dudas, debe considerársela como una de las posibilidades”, argumentó la investigadora.

Una fuerte candidata a materia oscura es la partícula llamada Wimp –nombre conformado por las iniciales de las palabras que componen la denominación inglesa weakly interacting massive particle (partícula masiva que interactúa débilmente). “La Wimp no es una partícula del modelo estándar, pero está prevista en extensiones de dicho modelo. Está concebida como una partícula estable, por ende, no sujeta a decaimiento. Cuando se la aniquila, daría origen a un par partícula-antipartícula”, explicó Vecchi.

Aparte de la materia oscura, otras fuentes posibles del exceso de antipartículas son objetos astrofísicos más convencionales, tales como los pulsares, o remanentes de supernovas.

El exceso de antipartículas no es el único dato recabado por el AMS-02 que desafía al modelo vigente. Otras mediciones también parecen demandar una revisión radical. En la composición de los rayos cósmicos, el 90% está constituido por protones (esto es, núcleos del átomo de hidrógeno ionizado). Luego viene un 8% de partículas alfa (es decir, núcleos de helio con dos protones y dos neutrones). En menor cantidad aparecen los electrones, otros núcleos producidos en las fuentes (carbono, nitrógeno, oxígeno y otros elementos, hasta el hierro), y núcleos resultantes de la fragmentación de otros rayos cósmicos durante la propagación a través del medio interestelar (litio, berilio y boro). Y componiendo una pequeña fracción, las antipartículas. “Los datos que hemos recabado no corresponden a lo esperable según el modelo convencional”, subrayó la investigadora.

Otro hallazgo sorprendente, pese a que es aún preliminar, fue la presunta detección de antihelio. “En cinco años, la AMS-02 detectó 3.700 millones de eventos de helio y tan sólo unos pocos eventos de antihelio. De todos modos, este hallazgo puede ter grandes implicaciones fenomenológicas, ya que, de confirmárselo, sería la primera detección de antinúcleos en los rayos cósmicos”, comentó Vecchi.

La investigadora, que mantiene una colaboración científica activa con el CERN, es profesora doctora del IFSC-USP. Cuenta con una ayuda a la investigación de la FAPESP en la modalidad de Apoyo a Jóvenes Investigadores que se extenderá hasta el año 2019.