Detectar la materia oscura a través del antihelio

Cuanto conocemos está hecho de materia normal. Pero existe otra forma de ella, denominada “materia oscura”, que no es detectable directamente aunque constituye la mayor parte de la masa del universo.

A la materia oscura la delata su influencia gravitacional sobre la materia normal. La forma en que las galaxias se mueven en los cúmulos galácticos o la rapidez con que las estrellas giran en torno al centro de una galaxia permiten realizar cálculos sobre las fuerzas gravitatorias implicadas, y el resultado de dichos cálculos indica que debe haber mucha más masa presente de la que podemos ver. Aproximadamente el 85% de nuestra Vía Láctea, por ejemplo, está formada por materia oscura.

Varios modelos teóricos de materia oscura predicen que esta podría estar compuesta por partículas que interactúan débilmente entre sí y que como resultado de dichas interacciones se producen núcleos de antihelio-3, que constan de dos antiprotones y un antineutrón. Estos núcleos también se generan en colisiones de alta energía entre la radiación cósmica y materia común como el hidrógeno y el helio, sin embargo con energías diferentes de las que cabría esperar en la interacción entre partículas de materia oscura.

En ambos procesos, la mayor cantidad de antipartículas que llega a nuestra región cósmica se origina en el centro de nuestra galaxia, a varias decenas de miles de años-luz de la Tierra. Tras su creación, una parte de ellas se dirige hacia nosotros. Cuántas de estas partículas sobreviven indemnes a este viaje y llegan a las proximidades de la Tierra como mensajeras de su proceso de formación determina la transparencia de la Vía Láctea para los núcleos de antihelio. Hasta ahora, los científicos solo habían podido estimar aproximadamente este valor.

Un equipo de investigación en el que participan científicos de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) en Alemania ha determinado ahora por vez primera la tasa de supervivencia de los núcleos de antihelio procedentes de las profundidades de la galaxia, un requisito previo necesario para la búsqueda indirecta de materia oscura.

Los investigadores de la colaboración ALICE han llevado a cabo mediciones que les han permitido determinar con una precisión sin precedentes la mencionada transparencia. ALICE son las siglas de A Large Ion Collider Experiment y es uno de los mayores experimentos del mundo para explorar la física en las escalas de longitud más pequeñas. ALICE forma parte del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN (Laboratorio Europeo de Física de Partículas).

El LHC puede generar grandes cantidades de antinúcleos ligeros, como el de antihelio. Para ello, protones y átomos de plomo entran en colisión. Las colisiones producen lluvias de partículas que son registradas por el detector del experimento ALICE. Gracias a varios subsistemas del detector, los investigadores pueden detectar los núcleos de antihelio-3 que se han formado y seguir su rastro en el material detector. Esto permite cuantificar la probabilidad de que un núcleo de antihelio-3 interactúe con el material del detector. Científicos de la TUM y del clúster de excelencia ORIGINS han contribuido significativamente al análisis de los datos experimentales.

Recreación artística del concepto de aniquilación de antihelio en el detector ALICE del CERN así como en el universo. (Ilustración: ORIGINS Cluster / S. Kwauka)

Mediante simulaciones, los investigadores pudieron trasladar los resultados del experimento ALICE a toda la galaxia. El resultado: aproximadamente la mitad de los núcleos de antihelio-3 que se cree que se generaran en la interacción de partículas de materia oscura es capaz de llegar a las proximidades de la Tierra. Nuestra Vía Láctea es, por tanto, permeable en un 50 por ciento a estos antinúcleos. En el caso de los antinúcleos generados en las colisiones entre la radiación cósmica y el medio interestelar, la transparencia resultante varía entre el 25 y el 90 por ciento. Sin embargo, estos antinúcleos pueden distinguirse de los generados a partir de materia oscura por su mayor energía.

Esto significa que los antinúcleos de antihelio no solo pueden viajar a grandes distancias en la Vía Láctea, sino también servir como importantes informadores en futuros experimentos: Dependiendo de cuántos antinúcleos lleguen a la Tierra y con qué energías, los nuevos cálculos permiten averiguar si estos mensajeros provienen de colisiones de rayos cósmicos o de interacciones de la materia oscura.

En la investigación, dirigida por Laura Fabbietti, también participaron, entre otros Alejandro Ibarra de la TUM y Andrew Strong del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Alemania.

El estudio se titula “Measurement of anti-3He nuclei absorption in matter and impact on their propagation in the Galaxy”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Physics. (Fuente: NCYT de Amazings)