Si la pugna por entender físicamente el cosmos fuera una justa medieval, la materia oscura sería Ivanhoe. Todo el público contiene el aliento esperando a que el héroe se quite el yelmo y deje ver su verdadero rostro.

Este reto de la ciencia requiere poner a trabajar a dos comunidades que poco a poco se van liberando de sus mutuos prejuicios. Por un lado tenemos a la cosmología, explorando las escalas más grandes del universo. Por otro, a la física de altas energías. Y cada vez tenemos más claro que entender la materia oscura requiere un esfuerzo conjunto.

El misterio de la materia oscura

Negar la existencia de la materia oscura, ese elusivo componente del universo, hoy día sería una atrocidad. Solo tendría cabida desde la heterodoxia o la ignorancia.

Las curvas de rotación de las galaxias, el efecto de lente gravitacional o el fondo cósmico de microondas no dejan dudas de su existencia.

Nos gustaría tener un modelo de partículas que explicara el misterio a nivel microscópico. Así quedaría enlazado con casi toda la física que conocemos. Y digo “casi” porque la gravedad tiene el mismo problema, no conocemos la partícula que le corresponde. Pero sería salirnos por la tangente, que es un símil apropiado en este mundo de la física tan matemática.

¿Por qué confiamos en que observando la dinámica de la materia conocida encontraremos nuevas formas de ella? Pues porque esto entronca con una larga tradición. El ejemplo histórico más conocido y relevante es el de la órbita de Urano. Su rareza no se entendió hasta que Neptuno dejó de ser un astro oculto, y entonces las piezas del rompecabezas encajaron. Algo así esperamos que suceda con la materia oscura.

La clave del protón

Hace ya algunos meses surgió una propuesta desconcertante para explicar la naturaleza de la materia oscura. Sería algo tan simple como un mar de neutrones desarraigados. Pero ¿respecto a qué agentes de la física no tendrían arraigo? Pues nada más y nada menos que los protones. Y esta rareza es precisamente la explicación de este modelo extraño y novedoso.

En el cosmos que conocemos se da la extraña coincidencia de que los protones y los neutrones tienen casi la misma masa. Esto permite que tengan afinidad mutua, dando lugar a átomos estables. Por decirlo de otra manera, la tabla periódica es como la conocemos por esa semejanza entre ambos tipos de partículas.

En cambio, si los protones fuesen un poquirritín más pesados, decaerían en partículas menos pesadas (piones, kaones) y algunos residuos más ligeros. Básicamente, la masa de la partícula original ha de ser mayor que la suma de las que se producen (como dice la fórmula de Einstein). Y una mayor masa del protón da más juego para que surja una interesante variedad de partículas. Entre ellas, por qué no, las que dan consistencia a la materia oscura.

Pero no hay razón para asustarse, los protones que conocemos son tremendamente estables. El tiempo desde el Big Bang es solo una cuatrillonésima parte del tiempo que se espera que permanezcan íntegros cualquiera de esos protones.

Un universo espejo

La hipótesis que maneja el estudio antes citado es que exista un sector oscuro que mimetice nuestro modelo estándar de partículas. Por supuesto, este oscuro mundo paralelo tendría sus propias partículas e interacciones entre ellas. El paralelismo o simetría especular entre ambos sectores explicaría la relativa similitud entre las abundancias de la materia ordinaria y la materia oscura.

El tipo de relación propuesta entre ambos sectores es lo que se llama una simetría discreta.

Este tipo de relaciones matemáticas son muy importantes en las teorías que describen las partículas como excitaciones de campos cuánticos. Un ejemplo con cierto parecido al recientemente propuesto es la simetría de paridad. Su violación fue descubierta por Chien-Shiung Wu al observar direcciones preferentes en la emisión de electrones al decaer cierto tipo de átomo de cobalto. Esto refuerza la idea de que que la transformación de protones o conjuntos de ellos (átomos) en otras partículas es una herramienta habitual para entender la física fundamental.

Precisamente si los protones del oscuro universo espejo fueran más pesados decaerían rápidamente. Si lo queremos ver de otra manera, los protones oscuros se evaporarían. Esto dejaría un rastro de neutrones abandonados a una noble suerte: ser la materia oscura. Esto encaja con la observación de que la materia oscura interactúa muy poco consigo misma. Si ocurriese lo contrario deberían existir densas acumulaciones de ella, y hasta la fecha no hay evidencia de tal fenómeno.

El sector oscuro

Pero en este universo espejo del nuestro también debió ocurrir un proceso de formación de los elementos químicos más ligeros. En esta etapa de nucleosíntesis, que tuvo lugar en los primeros minutos tras el Big Bang se formarían en el universo espejo “versiones oscuras” del hidrógeno, el helio y, en menores proporciones, del litio. Pero la vida de estos elementos sería brevísima por la insignificante duración de los protones oscuros que contendrían.

Este sector oscuro tendría su propia historia termal. En sus inicios, los sectores a ambos lados del espejo tendrían la misma temperatura causada por frecuentes intercambios de energía. Esto podría estar mediado por bosones: bien el de Higgs o bien humildes fotones. De uno u otro caso podrían quedar trazas detectables respectivamente en el gran colisionador de hadrones o en el fondo de microondas.

Después, por sus propias características físicas, el sector oscuro se enfriaría mucho más rápido que el estándar. De esta etapa podrían quedar reliquias en forma de neutrinos estériles y quizá esas esquivas partículas especulares pueden ser detectadas.

Por hacer una pequeña broma se puede concluir que queda mucha luz por arrojar a esa sombría forma de la materia que sigue desconcertándonos. Pero quizá, como en un antiguo poema gótico, sea finalmente un pálido reflejo (de un espejo) lo que nos aclare no la noche oscura, sino la oscura materia del universo.

Ruth Lazkoz, Professor, Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.