En busca de la materia oscura: un nuevo enfoque para detectar lo invisible

La materia oscura es uno de los mayores misterios del universo. No emite ni refleja luz, pero su existencia se deduce por los efectos gravitatorios que ejerce sobre la materia visible: influye en la rotación de las galaxias, desvía la luz y condiciona la estructura a gran escala del cosmos. Se estima que representa cerca del 85 % del total de la materia.

Aunque se ha intentado detectarla durante décadas, sus partículas siguen sin identificarse. La mayoría de teorías propone que están formadas por WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), que apenas interactúan con la materia normal. Esta naturaleza escurridiza ha llevado a explorar diferentes estrategias para analizarlas: producirlas en colisionadores, captarlas en detectores subterráneos o buscar señales indirectas en el espacio.

La búsqueda no ha dado resultados concluyentes, por lo que se necesitan nuevas ideas y tecnologías más sensibles. Los modelos que predicen partículas como el Higgsino, como el explorado en un estudio coliderado por el investigador José Zurita, del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del CSIC y la Universitat de València, ofrecen vías prometedoras para detectar esas sutiles señales que podrían revelar la naturaleza de la materia oscura.

Grandes retos y soluciones
Uno de los grandes retos en la búsqueda de materia oscura es que, si realmente está formada por partículas como el Higgsino, predicha por algunas extensiones teóricas del Modelo Estándar de la física de partículas, sus señales en los detectores que existen en la actualidad serían extremadamente tenues, hasta el punto de pasar desapercibidas en los experimentos actuales.

En algunos modelos teóricos se plantea la existencia de varias partículas dentro del llamado “sector oscuro”, una especie de universo paralelo cuyas componentes interactúan muy débilmente con la materia conocida. Estas partículas podrían estar relacionadas entre sí mediante fuerzas propias, distintas de las del mundo visible.

Una característica común en estos escenarios es que las partículas oscuras tendrían masas muy similares entre sí, lo que complica su detección. Cuando una de ellas, ligeramente más pesada, se desintegra en otra más estable, posible candidata a materia oscura, solo libera una cantidad mínima de energía, a menudo en forma de una traza tenue o de una partícula ligera como un pión.

Ese tipo de señal es tan débil que, en colisionadores actuales como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), del CERN, suele perderse entre el “ruido” de otras interacciones, ya que los piones suelen ser productos secundarios comunes en colisiones de partículas más pesadas. En este contexto, sin embargo, pueden ser una de las pocas huellas visibles que delaten la existencia del sector oscuro. Por eso, detectar piones de baja energía, aunque complejo, puede ser clave para descubrir nuevas partículas y avanzar en la búsqueda de la materia oscura.

El nuevo trabajo coliderado por el IFIC propone un enfoque innovador: aprovechar las condiciones más limpias y controladas de un posible colisionador de muones, una infraestructura aún en fase de diseño, pero que gana cada vez más apoyo y entusiasmo dentro de la comunidad internacional. Este tipo de colisionador permitiría registrar con mayor precisión esos rastros débiles que hoy resultan invisibles.

“El pure Higgsino ha sido considerado tradicionalmente como un objetivo para futuros aceleradores, como el Future Circular Collider (FCC-hh) o un colisionador de muones. En ambos casos, se espera que esta partícula se manifieste como una traza cargada que desaparece repentinamente al desintegrarse en una partícula neutra, el neutralino, y un pión de baja energía, que normalmente se descarta”, explica Zurita.

Así, los investigadores han demostrado que es posible abordar la existencia del Higgsino mediante el análisis de los productos de su posible desintegración. En particular, una de las partículas involucradas en el proceso, el chargino, se desintegraría en un neutralino más un pión de baja energía. Son estos piones de baja energía los que dejan unas “soft tracks” o “trazas tenues” que podrían ser detectados en los colisionadores de muones, más sensibles a partículas de tan baja energía.

Esta búsqueda del Higgsino tiene un gran interés porque podría, como decimos, confirmar un escenario teórico capaz de dar cuenta de la materia oscura. En particular, el neutralino, partícula muy estable y con una interacción muy débil con la materia ordinaria, podría ser uno de los ingredientes, si no el único, de la materia oscura que copa el universo.

Aunque la propuesta depende del desarrollo futuro de detectores de alta sensibilidad, abre una vía realista para explorar regiones del universo subatómico que han permanecido fuera del alcance experimental. Además, fortalece el caso científico para apostar por los colisionadores de muones como herramienta clave en la física de partículas del futuro.

El futuro de los nuevos colisionadores
El trabajo no solo abre una vía realista para detectar materia oscura, sino que también refuerza el caso científico para construir nuevos colisionadores de partículas, como el propuesto colisionador de muones, una infraestructura que gana impulso entre las prioridades de la comunidad internacional.

En los últimos años, la posibilidad de construir un colisionador de muones ha pasado de ser una idea teórica a convertirse en una de las opciones más estudiadas para el futuro de la física de altas energías. Su principal atractivo radica en que los muones, al ser unas 200 veces más pesados que los electrones, pueden alcanzar energías muy altas sin emitir tanta radiación como estos, lo que permitiría construir aceleradores más compactos que los colisionadores de electrones y positrones, y más limpios que los colisionadores de protones, como el LHC. Este entorno más controlado sería ideal para buscar señales sutiles, como las que produciría la materia oscura.

Organismos como el Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas de EE. UU. (P5) ya han reconocido recientemente el potencial estratégico de esta tecnología. Además, la creación de la Muon Collider Collaboration, una red internacional de centros de investigación y expertos en aceleradores, marca el inicio de un programa ambicioso para evaluar su viabilidad técnica y científicas.

En este contexto, trabajos como el liderado por el IFIC resultan fundamentales, ya que no solo proponen métodos concretos para aprovechar las capacidades únicas de estos colisionadores, sino que también aportan objetivos claros y medibles para orientar su desarrollo. Su implementación sería clave “no sólo para la búsqueda de materia oscura, sino para otros misterios actuales como el origen de la masa de los neutrinos, o la medición precisa de las propiedades del bosón de Higgs, la asimetría entre materia y antimateria…”, explica Zurita, quien, por todo ello, aboga por dar el salto a esta nueva generación de colisionadores.

El trabajo ha sido realizado por un equipo internacional que combina experiencia en teoría y fenomenología de partículas: José Zurita (IFIC, CSIC–Universitat de València), Federico Meloni (DESY, Alemania) y Rodolfo Capdevilla (Fermilab, Estados Unidos). El estudio, publicado en la revista Physical Review Letters, propone el método innovador que aquí se detalla para identificar señales extremadamente débiles en ciertos modelos teóricos de materia oscura. La propuesta es fruto de una línea de investigación que explora señales difíciles de detectar, pero con gran potencial para revelar la naturaleza de la materia oscura.

Ángela Molina / IFIC Comunicación 

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CSIC
 

Referencia científica:
R.Capdevilla, F. Meloni and J. Zurita. Discovering Electroweak Interacting Dark Matter at Muon Colliders using Soft Tracks. Phys. Rev. Lett.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.181802

R. Capdevilla, F. Meloni, R. Simoniello and J. Zurita, Hunting wino and Higgsino dark matter at the muon collider with disappearing tracks, JHEP 06. DOI: 10.1007/JHEP06(2021)133