Detección de WIMPs: Materia Oscura, Colisionadores y Cosmología; cómo los científicos buscan estas partículas misteriosas y su impacto en nuestro entendimiento del universo.
Detección de WIMPs: Materia Oscura, Colisionadores y Cosmología
La materia oscura es uno de los grandes misterios de la física moderna. Aunque no puede ser observada directamente con telescopios porque no emite, absorbe ni refleja luz, su presencia y propiedades se infieren a través de sus efectos gravitacionales sobre la materia visible, como las estrellas y las galaxias. Una de las hipótesis principales sugiere que la materia oscura está compuesta por partículas masivas de interacción débil, conocidas como WIMPs (por sus siglas en inglés, Weakly Interacting Massive Particles).
¿Qué son los WIMPs?
Los WIMPs son partículas hipotéticas que interactúan con la materia normal a través de la fuerza nuclear débil y la gravedad, pero mucho menos que las partículas del Modelo Estándar de la física de partículas. Se cree que son pesadas, con una masa en el rango de 10 a 1000 veces la del protón.
Una teoría bien aceptada que predice la existencia de WIMPs es la Supersimetría (SUSY). Según esta teoría, cada partícula del Modelo Estándar tiene un “supercompañero” con una masa mucho mayor. La partícula más ligera y estable dentro del marco de SUSY es un candidato perfecto para los WIMPs.
Colisionadores y Materia Oscura
Una de las estrategias para detectar WIMPs es mediante el uso de colisionadores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en CERN. En estas instalaciones, los físicos aceleran protones a velocidades cercanas a la de la luz y los hacen colisionar entre sí. En estas colisiones, la energía se convierte en masa (según la ecuación de Einstein \(E=mc^2\)) y se producen nuevas partículas.
El objetivo es observar las interacciones en las que podrían generarse partículas de materia oscura. Estas partículas no se detectarían directamente, pero su existencia podría inferirse a partir de patrones inusuales en los productos de las colisiones, como un momento transverso faltante. Este fenómeno ocurre cuando la cantidad de movimiento total perpendicular a la dirección del haz original no se conserva, lo que sugiere que una partícula invisible (es decir, un WIMP) se ha llevado parte del momento.
Teoría y Fórmulas
El estudio de la materia oscura y los WIMPs involucra una combinación de teorías de la física de partículas y la cosmología. Los conceptos clave incluyen:
- Sección eficaz de interacción: La probabilidad de que una interacción ocurra entre dos partículas se describe mediante la sección eficaz, denotada por \(\sigma\). Para las WIMPs, la sección eficaz con los núcleos de materia normal es extremadamente pequeña, lo que hace que su detección sea un desafío.
- Densidad de energía de la materia oscura: La densidad de energía crítica del universo se distribuye aproximadamente como 5 % de materia normal, 27 % de materia oscura y 68 % de energía oscura. La densidad de la materia oscura se puede calcular mediante:
Donde \(\rho_{DM}\) es la densidad de materia oscura, \(\rho_{crit}\) es la densidad crítica del universo, \(H\) es la constante de Hubble y \(G\) es la constante de gravitación universal.
Detección con Experimentos Directos
Además de los colisionadores, otra técnica vital en la búsqueda de WIMPs son los experimentos de detección directa. Estos experimentos se llevan a cabo en detectores grandes y sensibles ubicados en instalaciones subterráneas para minimizar el ruido de fondo de rayos cósmicos y otras fuentes de radiación.
- CDMS (Cryogenic Dark Matter Search): Utiliza semiconductores a temperaturas criogénicas para detectar el posible choque de WIMPs con los núcleos atómicos, midiendo el pequeño aumento de temperatura provocado por estas colisiones.
- XENON: Utiliza xenón líquido como medio detector, registrando la luz de centelleo y la ionización producida cuando una WIMP supuestamente colisiona con un núcleo de xenón.
La probabilidad de detectar una WIMP depende de la sección eficaz de su interacción con los núcleos del detector (\(\sigma_{DM-n}\)) y de la densidad de flujos de WIMPs (\( \phi_{DM} \)) pasando a través del detector. La tasa de interacción se puede describir con la fórmula:
Aquí, \(N_T\) es el número de núcleos en el detector dispuestos a interactuar. La sensibilidad del detector y el tiempo de exposición también son factores cruciales en la detección de estas partículas.
En el próximo apartado abordaremos método de detección indirecta, y la relevancia cosmológica y astrofísica de los WIMPs en la estructura y evolución del universo.