La materia oscura no influye en la fuerza entre los núcleos atómicos

El universo consiste principalmente en una sustancia novedosa y una forma de energía que aún no se comprenden. Esta "materia oscura" y "energía oscura" no son directamente visibles a simple vista o a través de telescopios. Los astrónomos sólo pueden proporcionar pruebas de su existencia de forma indirecta, basándose en la forma de las galaxias y la dinámica del universo. La materia oscura interactúa con la materia normal a través de la fuerza gravitatoria, que también determina las estructuras cósmicas de la materia normal y visible.

Aún no se sabe si la materia oscura también interactúa consigo misma o con la materia normal a través de las otras tres fuerzas fundamentales -la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerte- o alguna fuerza adicional. Ni siquiera experimentos muy sofisticados han podido hasta ahora detectar tal interacción. Esto significa que si existe, debe ser muy débil.

Con el fin de arrojar más luz sobre este tema, los científicos de todo el mundo están llevando a cabo varios experimentos nuevos en los que la acción de las fuerzas fundamentales no gravitatorias tiene lugar con la menor interferencia exterior posible, siendo medida entonces con precisión. Cualquier desviación de los efectos esperados puede indicar la influencia de la materia oscura o la energía oscura. Algunos de estos experimentos se están llevando a cabo utilizando enormes máquinas de investigación como las que se encuentran en el CERN, la Organización Europea de Investigación Nuclear en Ginebra. Pero los experimentos a escala de laboratorio, por ejemplo en Düsseldorf, también son factibles, si se diseñan con la máxima precisión.

El equipo que trabaja bajo la dirección del profesor Stephan Schiller del Instituto de Física Experimental de la universidad de Heinrich-Heine (HHU) ha presentado en la revista Nature los resultados de un experimento de precisión para medir la fuerza eléctrica entre el protón ("p") y el deuterón ("d"). El protón es el núcleo del átomo de hidrógeno (H), mientras que el deuterón, más pesado, es el núcleo del deuterio (D) y está formado por un protón y un neutrón unidos.

Iones moleculares HD+ (pares de puntos amarillos y rojos: protón y deuterón; no se muestra el electrón) suspendidos en un vacío ultra alto entre iones atómicos (puntos azules), que se inmovilizan mediante un rayo láser (azul). Una onda electromagnética (discos rojos-marrones) hace que los iones moleculares giren. Otro rayo láser (verde) registra la evidencia de esta excitación. El dibujo no está a escala. (Foto: HHU / Alighanbari, Hansen, Schiller)

Los físicos de Düsseldorf estudian un objeto inusual, el HD+, el ión de la molécula de hidrógeno parcialmente deuterada. Uno de los dos electrones normalmente contenidos en la capa de electrones falta en este ión. Así, HD+ consiste en un protón y un deuterón unidos por un solo electrón, lo que compensa la fuerza eléctrica de repulsión entre ellos.

Esto da como resultado una distancia particular entre el protón y el deuterón, conocida como la "longitud del enlace". Para determinar esta distancia, los físicos de HHU han medido la velocidad de rotación de la molécula con una precisión de once dígitos utilizando una técnica de espectroscopia que han desarrollado recientemente. Los investigadores utilizaron conceptos que también son relevantes en el campo de la tecnología cuántica, como las trampas de partículas y el enfriamiento por láser.

Es extremadamente complicado deducir la longitud de la unión a partir de los resultados de la espectroscopia y, por lo tanto, deducir la fuerza ejercida entre el protón y el deuterón. Esto se debe a que esta fuerza tiene propiedades cuánticas. Aquí se debe utilizar la teoría de la electrodinámica cuántica (QED) propuesta en la década de 1940. Un miembro del equipo de autores necesitó dos décadas para avanzar en los complejos cálculos y recientemente fue capaz de predecir la longitud del enlace con suficiente precisión.

Esta predicción se corresponde con el resultado de la medición. Del acuerdo se puede deducir la fuerza máxima de una modificación de la fuerza entre un protón y un deuterón causada por la materia oscura. El Prof. Schiller comenta: "Mi equipo ha reducido este límite superior más de 20 veces. Hemos demostrado que la materia oscura interactúa mucho menos con la materia normal de lo que antes se consideraba posible. Esta misteriosa forma de materia sigue permaneciendo oculta, ¡al menos en el laboratorio!". (Fuente: NCYT Amazings)