Alrededor del 80% de la materia del universo es una sustancia aún no descubierta llamada "materia oscura". Aunque se ha teorizado sobre su existencia durante unos 90 años, los científicos de la colaboración JEDI están utilizando tecnología avanzada de aceleradores de partículas para desarrollar nuevas formas de detectarlo, aunque sigue siendo difícil encontrar pruebas concluyentes.

Alrededor del 80% de la materia del universo es una sustancia aún no descubierta llamada "materia oscura". Si bien la existencia de materia oscura se ha teorizado durante unos 90 años, los científicos de la colaboración JEDI, utilizando tecnología avanzada de aceleradores de partículas, están desarrollando nuevas formas de detectarla, aunque sigue siendo difícil encontrar pruebas concluyentes.

"Esta es la única manera de conciliar la distribución de velocidades de la materia visible dentro de las galaxias con el conocimiento actual de que una forma de materia 'oscura' no observada anteriormente debe estabilizar adicionalmente la galaxia", explica Jörg Pretz, uno de los coautores del estudio. También es subdirector del Instituto de Física Nuclear del Centro de Investigación Urich y profesor de la Universidad RWTH Aachen.

Los físicos llevan buscando esta sustancia desde los años 30. No faltan teorías en la comunidad científica, pero todavía nadie ha detectado con éxito la materia oscura. El Dr. Volker Hejny dijo: "Esto se debe a que la naturaleza de la materia oscura aún no está del todo clara".

El Dr. Heini también es del Instituto Jülich de Física Nuclear y, al igual que su colega Jörg Pretz, es miembro de la colaboración internacional JEDI que llevó a cabo el experimento. JEDI es la abreviatura de Jülich Electric Dipolemoment Investigations. Los científicos que participan en la colaboración trabajan desde 2011 en la medición del momento dipolar eléctrico de partículas cargadas.

"La materia oscura es invisible y hasta ahora sólo se ha manifestado indirectamente a través de su atracción gravitacional. Su influencia es relativamente pequeña, por lo que sólo en casos extremadamente masivos, como galaxias enteras, la materia oscura realmente se hace visible".

Los físicos teóricos han propuesto una serie de hipotéticas partículas elementales de las que podría estar compuesta la materia oscura. Dependiendo de las propiedades de estas partículas, se pueden utilizar varios métodos para detectarlas, métodos que no requieren una detección muy sofisticada de los efectos gravitacionales. Estos métodos incluyen axiones y partículas similares a axiones.

En sus experimentos, los científicos de JEDI aprovecharon una característica especial del acelerador de partículas COSY de Jülich: el uso de rayos polarizados. Crédito de la foto: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach

"Los axiones se desarrollaron originalmente para resolver un problema de la teoría de interacción fuerte de la cromodinámica cuántica", explica Pretz. "El nombre axión se remonta al premio Nobel Frank Wilczek y se refiere a una marca de detergente: la partícula existe para 'limpiar' la teoría física, por así decirlo."

Para detectar axiones, los científicos de la colaboración JEDI explotaron el giro de la partícula. "El espín es una propiedad única de la mecánica cuántica que hace que las partículas se comporten como pequeñas barras magnéticas", explica Hejny. "Por ejemplo, la resonancia magnética (MRI) en imágenes médicas aprovecha esta propiedad. Como parte de este proceso, el espín de los núcleos atómicos es excitado por fuertes campos magnéticos externos".

La resonancia magnética también se ha utilizado para buscar materia oscura. En una resonancia magnética ordinaria, los átomos están en reposo, mientras que en un acelerador, las partículas se mueven casi a la velocidad de la luz. Esto hace que las inspecciones en determinadas áreas sean más sensibles y las mediciones más precisas.

En sus experimentos, los científicos de JEDI aprovecharon una característica especial del acelerador de partículas COSY de Jülich: el uso de rayos polarizados. "En un haz de partículas convencional, la dirección de giro de las partículas es aleatoria", dijo Pretz. "En un haz de partículas polarizadas, los espines están alineados en una dirección". Sólo unos pocos aceleradores en el mundo tienen esta capacidad. "

Si, como sospechan los científicos, hay un campo de fondo de axiones a nuestro alrededor, entonces esto afectará el movimiento de los espines y, por lo tanto, eventualmente podrá detectarse en experimentos. Sin embargo, el impacto esperado es mínimo. Las medidas no son lo suficientemente precisas. Pero aunque el experimento JEDI aún no ha encontrado evidencia de partículas de materia oscura, los investigadores han logrado limitar aún más los posibles efectos de interacción. Quizás lo más importante es que pudieron establecer un enfoque nuevo y prometedor en la búsqueda de materia oscura.