¿Se está creando inadvertidamente materia oscura en aceleradores de partículas?

La existencia de la materia oscura es un misterio que tiene desconcertados a los físicos desde hace años. A juzgar por la gravedad que ejerce, hay en el universo mucha más materia oscura que normal, y, sin embargo, nadie ha logrado detectar materia oscura directamente. Esta clase exótica de materia no emite radiación de ningún tipo ni interactúa de forma significativa con la materia ordinaria. La existencia de la materia oscura ha sido confirmada por una serie de observaciones astrofísicas y cosmológicas. Sin embargo, hasta la fecha no se ha registrado ninguna observación experimental de la materia oscura. La existencia de la materia oscura es tema de investigación y debates para astrofísicos y especialistas en altas energías de todo el mundo.

Pero, ¿y si partículas de materia oscura se generan entre las “normales” que se crean en algunas colisiones dentro de aceleradores en el transcurso de experimentos?

El LHC (Large Hadron Collider) en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) es el mayor acelerador de partículas del mundo y las colisiones de partículas en él crean condiciones similares a algunas de las que reinaron durante el Big Bang, la "explosión" con la que nació el universo. Tales colisiones en el LHC pueden aprovecharse para buscar indicios de materia oscura, tal como argumenta Deepak Kar, de la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo, Sudáfrica.

Trabajando en el detector ATLAS del LHC en el CERN, el equipo de Kar y Sukanya Sinha (ahora en la Universidad de Manchester en el Reino Unido), ideó una nueva forma de buscar materia oscura aprovechando dicho detector.

En las últimas décadas se han llevado a cabo numerosas búsquedas de materia oscura en aceleradores de partículas, hasta ahora centradas en las hipotéticas partículas masivas de interacción débil denominadas WIMPs. Las WIMPs son una clase de partículas que, según algunas hipótesis, podrían explicar la materia oscura, ya que no absorben ni emiten luz y no interactúan fuertemente con otras partículas. Sin embargo, como hasta ahora no se han encontrado pruebas de la existencia de estas partículas, parece que la búsqueda de materia oscura necesita un cambio de enfoque.

Aquí se encuadra la pregunta de si se generan partículas de materia oscura dentro de un chorro de partículas "normales" creado por la energía de una colisión provocada en un acelerador de partículas como el LHC. Esto condujo a la exploración de la posibilidad de usar una nueva “firma” (o “huella”) que podría ser recogida por el ATLAS y que, en teoría, demostraría el paso de materia oscura. Las huellas de este tipo se denominan “chorros semivisibles”.

Representación gráfica de cómo aparecerán los chorros semivisibles en el detector ATLAS, en caso de que existan. (Imagen: CERN)

Las colisiones de protones a alta energía a menudo dan lugar a la producción de un conjunto de partículas, recogidas en chorros, procedentes de la desintegración de quarks o gluones ordinarios. Los chorros semivisibles surgirían cuando los hipotéticos quarks oscuros se desintegrase, dando lugar parcialmente a quarks del Modelo Estándar (partículas conocidas) y parcialmente a hadrones oscuros estables (la "fracción invisible"). Dado que se producen en parejas, normalmente junto con otros chorros del Modelo Estándar, el desequilibrio de energía o la energía faltante en el detector surge cuando todos los chorros no están totalmente equilibrados. La dirección de la energía faltante suele estar alineada con uno de los chorros semivisibles.

Con suficientes mejoras a fin de evitar falsos positivos, la estrategia podría funcionar. En esto ha estado trabajando el equipo internacional de Kar y Sinha.

Kar, Sinha y sus colegas exponen los detalles técnicos de sus últimas conclusiones en la revista académica Physics Letters B, bajo el título “Search for non-resonant production of semi-visible jets using Run 2 data in ATLAS”. (Fuente: NCYT de Amazings)