Dr. José Manuel Nieto Jalil / Director del Departamento Regional de Ciencias en la Región Centro-Sur Tecnológico de Monterrey Campus Puebla
Durante los últimos años, la búsqueda de nuevas fuerzas de la naturaleza se ha intensificado debido a la incapacidad del Modelo Estándar de la física de partículas para explicar adecuadamente la materia oscura, una sustancia invisible que compone más del 95% de la masa del Universo.
Esta búsqueda se ha centrado en la hipótesis de los fotones oscuros y la posibilidad de una quinta fuerza fundamental que interactúe con la materia oscura.
Desde la década de 1930, los astrónomos han observado que las galaxias giran de una manera que sugiere la presencia de una gran cantidad de materia invisible, además de la materia visible detectada por los telescopios.
Esta misteriosa sustancia, conocida como materia oscura, representa la mayor parte del Universo. Sin embargo, la naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los mayores enigmas de la física moderna.
Las mediciones indican que sólo vemos un 5% de lo que realmente está ahí; el resto se compone de aproximadamente un 70% de energía oscura y un 25% de materia oscura.
Con el tiempo, nos hemos dado cuenta de que las galaxias no se hubieran podido formar sin esta materia oscura, de manera que su presencia es crucial para que el universo sea como es. El Modelo Estándar de la física de partículas sólo ha servido para explicar ese casi 5% del Universo al que tenemos acceso.
Existen cuatro fuerzas fundamentales en el Universo: la fuerza electromagnética, las fuerzas nucleares fuerte y débil, y la gravedad. Permiten a los físicos explicar con precisión tanto los fenómenos del mundo subatómico como del macroscópico. Hay interacciones y fenómenos que no pueden ser completamente explicados por estas fuerzas conocidas, lo que sugiere la posible existencia de otras.
Entendemos muy bien cómo funcionan tres de las cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil.
Aunque la gravedad es la fuerza más común y perceptible para nosotros, no sabemos realmente cómo funciona en un nivel fundamental.
Para abordar esta falta de comprensión, los científicos han desarrollado varias teorías a lo largo de las décadas que postulan la existencia de una quinta fuerza desconocida. Esta fuerza hipotética tendría la tarea de vincular la gravedad con las otras fuerzas fundamentales. Lamentablemente, hasta ahora nadie ha sido capaz de encontrar evidencia de esta quinta fuerza.
Los fotones oscuros son partículas hipotéticas que podrían mediar una nueva fuerza en el sector oscuro, similar a cómo los fotones ordinarios median la fuerza electromagnética. Esta nueva fuerza podría ser la clave para entender mejor la interacción de la materia oscura con el resto del Universo.
Los fotones oscuros interactúan débilmente con la materia ordinaria, lo que los hace difíciles de detectar. Sin embargo, su interacción con la materia oscura podría ser significativa, proporcionando una nueva forma de entender cómo se comporta esta materia invisible.
La materia oscura, que constituye aproximadamente el 25% del Universo, no interactúa con la luz de ninguna manera; no la absorbe, ni la refleja, ni la refracta, ni la dispersa, ni la emite.
En términos simples, para la materia oscura, la luz no existe. Sin embargo, sabemos que la materia oscura está ahí porque responde a la gravedad.
La fuerza gravitatoria de la materia oscura influye en el movimiento de las estrellas y ayuda a mantener unidas las galaxias. Sin la materia oscura, la rotación de las galaxias haría que sus estrellas se dispersaran caóticamente por el espacio.
Dado estos hechos, la mayoría de los físicos creen que la materia oscura debe estar compuesta por un tipo de partícula nunca antes vista.
Es razonable pensar que esta partícula misteriosa podría estar asociada con una nueva fuerza de la naturaleza. Se teoriza que esta nueva fuerza permitiría que la materia oscura interactúe principalmente con otra materia oscura, pero también podría ser el enlace que conecta la materia y la energía con la materia ordinaria, sirviendo como un puente entre los sectores oscuros y normales del Universo. Varios proyectos de investigación se están llevando a cabo para detectarlos.
El experimento NA64 en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) utiliza haces de electrones dirigidos a un blanco fijo para buscar señales de fotones oscuros mediante la técnica de energía faltante, estableciendo límites más estrictos sobre la interacción entre fotones y fotones oscuros.
Por su parte, el experimento solenoide compacto de muones en el Gran Colisionador de Hadrones busca fotones oscuros en las desintegraciones de bosones de Higgs, analizando la producción de partículas desplazadas como muones.
Otra innovación significativa es el experimento Dark SRF (Superconducting Radio Frequency) en Fermilab, que utiliza cavidades de radiofrecuencia superconductoras para mejorar la sensibilidad en la detección de fotones oscuros.
Estas cavidades, enfriadas a temperaturas ultrabajas, almacenan eficientemente energía electromagnética y permiten explorar diferentes rangos de masa potencial para estas partículas.
Además, un enfoque innovador utilizando una antena de plato coaxial busca materia oscura en el rango de 44 a 52 μeV.
Esta técnica se basa en la resonancia de microondas, donde la antena actúa como un resonador que puede detectar variaciones en la energía que podrían ser causadas por la presencia de fotones oscuros.
La sensibilidad de esta técnica permite cubrir un rango de masas que antes no era accesible, aumentando las posibilidades de detectar señales de estas partículas exóticas, lo que también puede aplicarse a la detección de fotones oscuros.
Los teóricos han propuesto varias partículas exóticas, incluyendo los fotones oscuros. Por analogía con los fotones convencionales, que llevan la fuerza electromagnética, los fotones oscuros podrían ser los portadores de esta quinta fuerza desconocida.
Estos fotones oscuros podrían mediar la interacción entre la materia ordinaria y la materia oscura. Las posibilidades de encontrar esta quinta fuerza en los diversos experimentos actuales no son muy altas, pero si llegara a ser descubierta, sería uno de los mayores logros en la historia de la física. En términos de la física de partículas, el fotón es la partícula que transporta la unidad mínima de la fuerza electromagnética.
La hipotética partícula que se busca en estos experimentos sería su equivalente en el sector oscuro, portadora de lo que podríamos llamar una fuerza electromagnética oscura.
Si alguno de estos experimentos tiene éxito, no solo habremos descubierto una nueva partícula subatómica, la primera ajena a la materia ordinaria; una nueva fuerza de la naturaleza capaz de actuar entre la materia que conocemos y la que compone el 95% del Universo.
El descubrimiento de una quinta fuerza tendría implicaciones profundas para nuestra comprensión del Universo. No sólo explicaría la naturaleza de la materia oscura, sino que también podría abrir nuevas vías para explorar fenómenos físicos aún desconocidos.
Los experimentos actuales están empujando los límites de nuestra tecnología y comprensión, y cada nuevo descubrimiento nos acerca más a desentrañar estos misterios.
Al integrar estos nuevos hallazgos con el Modelo Estándar, podríamos estar al borde de una revolución científica que redefina nuestras leyes fundamentales y nos proporcione una visión más completa del cosmos.
La búsqueda continúa, y con cada avance, damos un paso más hacia la comprensión de los secretos más profundos del Universo.
