Universidad Nacional del Noroeste de la Provincia de Buenos Aires - Centro de Investigaciones Básicas y Aplicadas (CIBA)

25 de Enero de 2021 | 15 ′ 12 ′′


Materia oscura: nuevos horizontes para comprender la realidad

Materia oscura: nuevos horizontes para comprender la realidad


“El lado oscuro de la materia” es el nombre de la conferencia que dictó en la UNNOBA Florencia Castillo, astrónoma juninense que cursa un doctorado en física de partículas en Valencia. El trabajo de la investigadora está vinculado al CERN, el laboratorio más grande del mundo.

La nave espacial iba rumbo a un destino pautado, otro planeta lejano y desconocido, por eso toda la tripulación estaba en hibernación. Sin embargo, debido a un cúmulo de materia oscura fueron a parar a otra parte, muy lejos del punto de destino, en el medio de algún lugar del espacio. La escena corresponde a la serie “Otra vida” (Netflix, 2019) y no es una casualidad que la materia oscura ya sea un tema de la ciencia ficción: es una parte de la Física que está ahí para ser investigada porque arroja muchas preguntas y rompe con todo lo previsto hasta ahora, incluso, en la ficción.

“La materia oscura es el próximo escalón a seguir por parte de la Física y en ella se centra la mayoría de los esfuerzos actuales de la disciplina. Su estudio promete abrir nuevos horizontes sobre la comprensión de la realidad”, plantea Florencia Castillo, quien dictó la charla “El lado oscuro de la materia” en el aula del Centro de Investigaciones Básicas y Aplicadas de la UNNOBA, ante un auditorio intrigado y sorprendido.

Ella asegura que desde muy chica tenía la costumbre de mirar al cielo en la noche y repetirse siempre la misma pregunta: ¿por qué brillan las estrellas? Seguramente en el patio de su casa de Junín, o al volver muy tarde en una jornada invernal del Colegio Parroquial San José. Ella no quiso quedarse con la duda y rumbeó hacia la Universidad Nacional de La Plata, con 17 años y muchas preguntas, para estudiar Astronomía.

A los 23 años ya estaba recibida, con premios y cartas de recomendación. No tuvo tiempo de volver a Junín a despedirse de su familia, cuenta entre lágrimas, porque la estaban esperando en Valencia. Florencia Castillo había ganado una de las tres becas doctorales que otorgó el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universidad de Valencia) en 2017.

Para entender las estrellas tenía dos caminos: seguir mirando el cielo o hacer todo lo contrario, buscar las respuestas en las partes más pequeñas de la materia: las partículas. “Podés hacer Física de colisionadores, como la que yo hago, y lo más importante que hay ahora en este terreno es el Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire –más conocido por sus siglas CERN–, que tiene cuatro detectores y en dos de ellos es que se hace la búsqueda de la materia oscura” aclara la especialista a Argentina Investiga. El IFIC de Valencia está asociado al CERN, y por eso su trabajo depende de las líneas de investigación que allí se aprueben y experimenten.

¿Cómo es trabajar en el laboratorio más grande del mundo? ¿Qué se siente caminar por los pasillos por los que alguna vez caminó Tim Berners Lee o alguna otra estrella mundial de la ciencia? Florencia responde con naturalidad: “Para mí es el trabajo que elegí, y espero poder seguir haciéndolo”.

En la actualidad hay una carrera por la construcción de laboratorios con detectores de colisiones de partículas. China, Japón y Europa son los que están a la vanguardia; sin embargo, por ahora es el CERN el que dispone de la llamada Máquina de Dios, ese lugar en el que quieren recrearse las condiciones del Big Bang. Son 38 países y 3 mil personas las involucradas sólo en uno de los detectores, denominado ATLAS, que tiene el objetivo de observar los residuos de una colisión para saber si se ha creado algo nuevo. En un inicio, la tarea de Florencia fue sumarse a un proyecto y a un grupo para estudiar uno de los temas relacionados con la materia oscura. Ese fue el primer desafío: elegir en qué línea de investigación se iba a adentrar.

Dentro de la Física está lo que se conoce como el cuántica de campos que describe las interacciones fundamentales entre partículas elementales que componen toda la materia.">modelo estándar, pero que tiene un problema: sólo puede explicar el 5% de la composición del universo, la materia ordinaria. ¿Qué sucede con el otro 95%? Florencia Castillo explica que “todo empezó con una observación que se hizo a un cúmulo de galaxias, un objeto astrofísico que puede observarse, y con la luz que llegaba podía calcularse la masa y su velocidad gracias a los valores que se conocen por la constante de la gravedad”. Sin embargo, “los científicos se encontraron con objetos que tenían mayor velocidad que la que tendrían que tener: ese fue el primer indicio”. Estaban pasando cosas que no respondían a los modelos predictivos establecidos.

Como lo sucedido no se podía identificar ni ver, se le asignó el nombre de materia oscura. ¿Cómo es que algo no se puede ver? Simplemente no refleja la luz. Comienzan, entonces, a construirse modelos teóricos que intentan explicar el fenómeno y a establecerse experimentos que permitan verificar esos modelos. “En el modelo estándar no hay ninguna partícula que haga eso, que se comporte como una materia oscura: reflejan luz, es decir, interaccionan electromagnéticamente. Las teorías para explicar esto son varias. Una de ellas plantea que hay nuevas partículas, a las que no vemos y con las que no podemos interacturar, por lo tanto no podemos entenderlas desde la ciencia”, comenta.

La imposibilidad de interactuar con algo para la ciencia es no poder observarlo ni poder experimentar con ello, “entonces, la única manera sería recrear condiciones, como aquellas en las que estas partículas se hayan creado, como el inicio del Universo”. Castillo indica que eso es lo que se hace dentro de los colisionadores de partículas.

La más conocida o extendida de estas teorías es la de la supersimetría (o por sus siglas SUSY), la cual propone “una duplicación del modelo estándar”. Otra teoría que se ha hecho popular es la “teoría de las cuerdas”, que propone que “las partículas pasan a ser un pequeño filamento, acerca de la que Juan Maldacena, un premiado investigador argentino, desarrolla su trabajo”.

También están quienes postulan la existencia de partículas neutras como los axiones, que explicarían el funcionamiento de la materia oscura. Todas estas teorías y modelos intentan predecir y explicar por qué hay más partículas de las que podemos observar. Sin embargo, la cuestión se complejiza cuando Castillo afirma que “sólo algunas de esas partículas son candidatas a ser materia oscura, otras no”.

Dentro del modelo estándar, la materia puede reflejar ondas electromagnéticas en cualquier frecuencia, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. ¿Pero en el espacio esas ondas se comportan igual que en la Tierra, lugar en el que pueden hacerse experimentos? Castillo explica que “la interacción, en este caso, está asociada a la partícula que denominamos fotón”. Y agrega: “Al aplicar el modelo estándar, el fotón está bien entendido y se comporta igual en todos los lugares. Pero si el medio cambia, puede cambiar su velocidad o índice de refracción. La luz la tenemos bien entendida y gracias a eso conocemos mucho del Universo: la luz nos dice sobre la temperatura en la que está algo o su composición química”.

Del cielo al ensayo

Nadie llega a un lugar como el CERN, escribe un programa informático, presiona un botón y se pone a colisionar partículas diciendo “este es mi experimento”, poniendo en juego recursos de miles de millones de euros. Suena lógico. “Hay varias etapas –cuenta Castillo. La primera, cuando entrás en un proyecto como el que requiere utilizar algo como ATLAS, que es de tipo internacional, es tratar de hacer una tarea para mejorar un experimento. Lo que hice en mi primer año fue aplicar ‘simulaciones’ de colisiones de protones para entenderlas un poco mejor, cambiar parámetros para ver cuál predecía mejor los datos que se habían tomado. Luego viene la parte computacional, recrear esa simulación y para eso, por ejemplo, yo desarrollo mi propio software en lenguaje Python y realizo mis propios estudios”.

Si todo va bien en estos ensayos teóricos y simulaciones informáticas, recién ahí se puede pasar a una solicitud de experimento o de lectura en una institución como el CERN, para obtener “los datos que arroja el colisionador”.

“Es necesario tener mejores experimentos –argumenta Castillo– porque es la única forma de avanzar. Esto significa, entre otras cosas, tener que subir la energía para crear partículas más pesadas. También es importante poder colectar más información sobre las colisiones, y para eso es necesario una mejora en la ingeniería del detector, ya no en el colisionador”. Esta propuesta de mejora ya fue aceptada y se la conoce como High Luminosity LHC, y empezará a funcionar en 2026.

Además, Florencia Castillo participó en un proyecto de mejoramiento del experimento sobre la detección de la materia oscura, publicado en un paper que explica las condiciones del experimento y las mejoras. “Ahora, además, lo que estoy haciendo es usar otro modelo diferente de producción de materia oscura, porque hay muchos”.

El ensayo a partir de “colisionar partículas” nace de dos teorías: la cuántica y la relatividad. Albert Einstein planteó que la energía se convierte en masa y la masa en energía, que hay una igualdad. El otro ingrediente es la mecánica cuántica, que dice que todo es posible, no en el sentido místico, sino en la Física. Por ejemplo, si hay energía, entonces pueden crearse partículas nuevas con determinada masa. “La idea de colisionar partículas es observar en cuáles de los muchos eventos que ensayamos pueden crearse nuevas partículas, nuestro candidato a materia. Si por modelo estándar sabemos qué tiene que pasar tras cada colisión y lo comparamos con los modelos de materia oscura, podremos saber si ha ocurrido la creación de una partícula desconocida”, refiere Castillo.

El Universo está conformado por un 30% de materia y un 70% de energía. Castillo explica: “El Universo está formado, aproximadamente, por un 5% materia ordinaria (nosotros, el sol, los planetas), un 25% de materia oscura, y el resto, ese 70%, es energía oscura”.

Castillo también detalla la diferencia entre materia y energía oscura: “La energía oscura es una presión negativa que hace que el Universo se expanda aceleradamente, va en contra de la gravedad. Pero la materia oscura, eso que no vemos, hace que las cosas se muevan más rápido de lo que podemos entender. Pero si sumamos ambas contribuciones hablamos del 95% del Universo”.

Across the Universe

—Algo derivado de la ciencia ficción y que plantean algunas series como “Star Trek”, ¿puede superarse la barrera de la velocidad de la luz?
—No, las teorías que manejamos hoy en día nos dicen que nada va más rápido que la luz. Si quisieras hacer un viaje interestelar, la estrella más cercana al Sol se llama Alfa Centauri, y está a cinco años luz, es decir que tenés que viajar cinco años a esa velocidad para llegar al lugar. Sin embargo, la sociedad tiene que enfrentar varias problemáticas, como la ecológica y, en caso de sobrevivir como especie, agotamiento del Sol; es decir, que en algún momento la sociedad va a tener que plantearse la necesidad de viajar a otra estrella, porque el Sol se agotará. Pero actualmente no tenemos idea de cómo hacerlo. Entender la materia oscura implica entender un poco más el Universo, lo cual podría llevar a realizar esa tecnología.

—¿Y qué pasa con el tiempo? ¿Se lo puede manejar, como plantea Einstein, a partir de las curvaturas que hay en el espacio?
—Lo que dice la teoría de Einstein es que nosotros estamos en un filamento de espacio-tiempo, si cambiás el filamento te cambia el espacio y el tiempo. Un objeto masivo, como un agujero negro, curva el espacio y a medida que te acercás cambia el tiempo también. La distorsión del tiempo hace que para una persona en la Tierra pasen 10 años y el que está en el agujero negro sólo viva 1 segundo.

—¿La curvatura total se da en el agujero negro?
—La teoría de la relatividad plantea que podemos llegar solamente al horizonte, a lo externo del agujero negro. La otra parte del agujero, la singularidad, que es donde está el agujero del espacio-tiempo, el cual podría llegar a ser un pasaje a otro universo a través de un agujero de gusano. Pero no hay evidencia física de eso, porque para salir de la singularidad tendrías que superar la velocidad de la luz, y por lo que sabemos no es posible superarla.

—¿Cómo impacta en tu campo de trabajo la existencia de grupos como los de los terraplanistas? Es decir, hay un grupo de gente que estaría diciendo que lo que ustedes hacen es meramente conspirativo y falso.
—Creo que darle espacio a ese tipo de pensamientos es también una manera de darle la espalda a la ciencia. La sociedad está hecha de lo que es. Nosotros como científicos, decimos lo que estudiamos, cómo lo hacemos y esperamos que la sociedad nos tome en cuenta. Hasta cierto punto es culpa nuestra si se plantean estas dudas, porque tenemos desde la ciencia una responsabilidad social de acercar lo que hacemos. Si nadie se entera de lo que estamos haciendo se da lugar al surgimiento de las especulaciones. Tenemos que llevar la ciencia a la sociedad, porque la ciencia, en definitiva, es una construcción social y cultural, y si no lo hacemos no se avanza, es más, se puede retroceder. Si la sociedad no cree en la ciencia, los científicos en definitiva no tendremos los recursos ni los espacios para trabajar. En España nos exigen que hagamos divulgación, que vayamos a colegios, esa parte social está exigida y así nace la confianza de la gente.

—¿Cómo ves tu futuro?
—¡Oscuro, como la materia! Espero terminar el año que viene en España y ver qué hago. Mi idea es seguir haciendo ciencia, me gustan muchas ramas, no sólo la Física de partículas. Vamos a ver con qué puedo seguir y dónde.


Marcelo Maggio


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