Desarrollo de detectores para la observación de materia oscura

Las hipótesis científicas y los resultados teóricos de la ciencia han sido desde siempre un extraordinario estímulo para el desarrollo de la tecnología.

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Por: Vicente Aboites

Las hipótesis científicas y los resultados teóricos de la ciencia han sido desde siempre un extraordinario estímulo para el desarrollo de la tecnología.  Un ejemplo notable se encuentra en la predicción de ondas gravitacionales hecha por la teoría general de la relatividad de Einstein.

Así como las ecuaciones que describen los fenómenos electromagnéticos -llamadas ecuaciones de Maxwell- predicen la existencia de ondas electromagnéticas, por ejemplo, la luz, así, de modo similar, las ecuaciones de la teoría general de la relatividad de Einstein predicen la existencia de ondas gravitacionales.

Es notable que esta teoría fue enunciada en 1915 sin embargo solo hasta el año 2015, ¡cien años después! las ondas gravitacionales fueron detectadas usando el detector LIGO, acrónimo de: “Laser Interferómeter Gravitational-Wave Observatory”, que podemos traducir al español como: “Observatorio Interferométrico Láser para Ondas Gravitacionales”.  No debe de resultar sorprendente que se tardó un siglo en construir un detector suficientemente sensible para observar ondas gravitacionales.

Este detector interferométrico hizo uso de la más avanzada tecnología en óptica y láseres capaz de detectar cambios en una escala de milésimas del diámetro de un protón.  Algo simplemente inimaginable hace cien años.

A pesar de que desde 1884 Lord Kelvin discutió la presencia de “cuerpos oscuros” en nuestra galaxia, la Vía Láctea, no es sino hasta las décadas de 1960 y 1970 en que Vera Rubin, Kent Ford y Ken Freeman proporcionan evidencia clara de la presencia de materia oscura.  Un importante artículo de Rubin y Ford, publicado en 1980, (ver: Rubin, V.; Thonnard, W.K. Jr.; Ford, N. (1980). “Rotational Properties of 21 Sc Galaxies with a Large Range of Luminosities and Radii from NGC 4605 (R = 4kpc) to UGC 2885 (R = 122kpc)”.

The Astrophysical Journal. 238: 471) muestra que las galaxias deben de contener aproximadamente seis veces más masa de la que es visible, reconociendo desde ese momento que la detección de esa materia oscura era uno de los más importantes problemas no resueltos de la astronomía.

Actualmente se considera que la materia oscura constituye el veintisiete por ciento del universo mientras que la materia ordinaria, de la que están formadas las estrellas y planetas, representa solo el cinco por ciento del cosmos. Una entidad misteriosa llamada “energía oscura” representa el sesenta y ocho por ciento restante.

Suponiendo que el tiempo que tomó desarrollar la tecnología del detector LIGO -desde que se enunció la teoría general de la relatividad- para la detección de ondas gravitacionales, sea semejante al que se requerirá para detectar la materia oscura, podemos conjeturar que entre 2060 y 2080 se construirán detectores suficientemente avanzados para lograr este objetivo.  Por el momento varios investigadores del mundo están proponiendo ideas tentativas para construir estos novedosos detectores.

Un ejemplo es la iniciativa de un grupo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y del Laboratorio Fermi, en Estados Unidos. Esta propuesta está basada en la idea de que, dado que toda la materia visible del universo se encuentra inmersa en un mar de materia oscura, y esta última está formada por partículas que son invisibles pero que tienen masa y que pueden ejercer una fuerza gravitacional, entonces una partícula de materia oscura que pase cerca de la masa de un péndulo microscópico lo desviará de su posición de equilibrio debido a la minúscula fuerza gravitacional.

Por tanto, el desplazamiento de ese péndulo microscópico sería la señal indicando la presencia de una partícula de materia oscura.  Basado en esta idea, un detector completo estaría formado por un bloque enorme conteniendo millones de estos micro péndulos o sensores de movimiento que deberán encontrarse a una temperatura cercana al cero absoluto para evitar ruido térmico.

Por el momento se están explorando tecnologías similares a las utilizadas en los sensores de movimiento de la industria automotriz y telefonía celular para llevarlas a su máximo límite tecnológico. Un resultado adicional de este detector es que el paso de una partícula de materia oscura dejaría una marca a lo largo de su trayectoria sobre todos los micro péndulos o sensores de desplazamiento del detector.

El propósito fundamental de todos estos científicos es comprender de qué está hecho nuestro universo, un resultado colateral será, sin duda alguna, un premio Nobel.  La carrera ya inició y hay participantes de todos los países del mundo que forman equipos internacionales compuestos por jóvenes brillantes y entusiastas, apasionados por la ciencia y la tecnología.

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