Bajo un macizo de los Apeninos, bajo las montañas Jinping de Sichuan y en el fondo de una mina de Dakota del Sur, se está desarrollando una caza cósmica.
Aislados en las profundidades de estos escudos rocosos, detectores masivos llenos de xenón líquido buscan realizar las primeras detecciones directas de materia oscura, la sustancia invisible tan buscada cuya gravedad ha esculpido nuestro universo.
La esperanza es que algún día, una partícula de materia oscura, llamada partícula masiva de interacción débil (una WIMP, por sus siglas en inglés), choque con un átomo de xenón, creando un destello de luz y una carga eléctrica. Después de años de funcionamiento, estos experimentos han comenzado recientemente a observar señales esporádicas de una partícula que se desliza etéreamente a través de la materia ordinaria hasta que colisiona con los detectores. Desafortunadamente, la nueva señal no es producida por materia oscura. En cambio, los detectores están registrando algo igualmente insustancial pero mucho más mundano: neutrinos, las partículas subatómicas de peso pluma que el Sol y otras estrellas producen en cantidades masivas.
El fracaso de los físicos en encontrar materia oscura donde pensaban que estaba ha dado lugar a una plétora de propuestas para nuevas vías de búsqueda: sensores cuánticos, detectores basados en helio líquido, búsquedas en la atmósfera de Júpiter y más.
Desde hace décadas, los físicos saben que este fondo de neutrinos existía; simplemente esperaban descubrir primero la materia oscura WIMP. Ahora las posibilidades parecen escasas. Algunos de los detectores de WIMP actuales son simplemente tan grandes y sensibles que están entrando en la llamada "niebla de neutrinos", en la que las partículas ordinarias probablemente ahoguen cualquier señal del objetivo principal. No hay forma de blindar estos detectores de los neutrinos, que atraviesan fácilmente la propia Tierra. Esto significa que el próximo experimento que utilice este enfoque de larga tradición para la búsqueda de materia oscura WIMP podría ser el último.
Sin embargo, alcanzar la «neblina de neutrinos» no supone el fin de la búsqueda de materia oscura. Los investigadores simplemente tienen que redirigir el foco de su búsqueda. «No hemos observado materia oscura WIMP», afirma Kathryn Zurek, física teórica de partículas en el Instituto Tecnológico de Califo ia. Tampoco, señala, han encontrado los científicos nuevas partículas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), la potente instalación de colisión de protones que se sitúa en la frontera entre Francia y Suiza. «Y por ello la gente amplía naturalmente su ámbito de búsqueda», afirma Zurek. A medida que lo hacen, hay muchos más candidatos en la recámara.
En otras palabras, la búsqueda se está transformando de una sonda estrecha en una especie de competición abierta. Es un cambio importante. Hoy en día, los físicos de partículas tienen menos certeza sobre la identidad de la materia oscura que cuando empezaron a buscarla. Admiten abiertamente que no pueden dar por sentadas las bases —por ejemplo, si la sustancia que compone la materia oscura es más pesada que la Tierra o más ligera que una onda de radio, o si la materia oscura es un solo tipo de partícula o una docena.
La incertidumbre puede ser frustrante, incluso humillante. «El rango potencial donde podrían estar los candidatos es tan enorme que las probabilidades de que un único experimento pequeño lo encuentre son muy, muy bajas», afirma Hugh Lippincott, un experimentalista de materia oscura de la Universidad de Califo ia, Santa Bárbara.
Pero el fracaso de los físicos para encontrar materia oscura donde creían que estaba también ha llevado a una plétora de propuestas para nuevas formas de búsqueda: sensores cuánticos, detectores basados en helio líquido, búsquedas en la atmósfera de Júpiter y más. «Ahora hay mucha expectación. Y, por fin, ya existe la tecnología», dice Gray Rybka, un físico de la Universidad de Washington que codirige un experimento que busca axiones, un candidato a materia oscura ultraligera.
Aun así, con tantos lugares donde buscar, ¿dónde tiene sentido que los físicos empiecen de nuevo?
Ignorancia astronómica
Para empezar: el nacimiento del universo. La materia oscura nos ha acompañado desde el principio, y hay mucho que aprender de esos primeros eones. Los mapas del fondo cósmico de microondas —la primera luz de los primeros años del universo— están llenos de fluctuaciones causadas por la aglomeración de la materia subyacente. Al analizar estos vestigios cósmicos, los investigadores pueden determinar que solo el 17 % de la materia del universo está compuesta de partículas ordinarias como protones y neutrones. El 83 % restante es materia oscura, la cual tiene poca o ninguna interacción con la luz o la materia ordinaria, excepto a través de la gravedad.
Podemos deducir bastante sobre la materia oscura a partir de esos efectos gravitacionales. Sabemos que la Vía Láctea contiene un halo de esta materia. Nuestro propio sistema solar orbita el centro galáctico a una velocidad excesiva para estar ligado únicamente por el tirón de la materia ordinaria: sin el anclaje gravitacional de la materia oscura, seríamos expulsados al espacio intergaláctico. También podemos observar cómo la masa de la materia oscura de una galaxia curva la trayectoria de la luz a medida que esta se dirige a los telescopios terrestres. Y a la escala más vasta, podemos apreciar cómo los supercúmulos de galaxias se distribuyen en el espacio como gotas de rocío en una telaraña. Ninguna teoría cosmológica que prescinda de la materia oscura puede explicar todos estos fenómenos.
Pero toda la evidencia astronómica y cosmológica dice poco sobre de qué está hecha realmente la materia oscura. «No te dice nada sobre los constituyentes individuales. Solo te dice el efecto de un grupo de ellos juntos», afirma Lippincott, quien ha liderado el experimento LZ, un detector de materia oscura WIMP actualmente en funcionamiento en la antigua mina Homestake en Dakota del Sur.
La idea de los WIMP surgió durante la década de 1980. En aquel momento, los teóricos exploraban complementos al modelo estándar, la teoría general de la física de partículas que describe todas las partículas fundamentales del universo y sus interacciones. El modelo estándar es potente, pero no lo explica todo —en particular, omite la gravedad—, por lo que parecían necesarios algunos ajustes. La idea más popular, una clase de teorías llamada supersimetría (SUSY, informalmente), proponía emparejar cada tipo de partícula conocido en el universo con un «supercompañero» aún no visto. Para haber evitado la detección, los supercompañeros tendrían que tener mucha masa (lo que los situaría fuera del alcance de los colisionadores existentes) y ser débilmente interactuantes, capaces de atravesar la materia como fantasmas. Es decir, serían WIMP. Los físicos no tardaron mucho en darse cuenta de que el WIMP era también un excelente candidato a materia oscura: dos problemas, una partícula.
El atractivo de la supersimetría era tan fuerte que muchos físicos de partículas esperaban ver WIMPs tan pronto como el LHC se puso en marcha en 2008. En cambio, a medida que llegaban los datos del LHC, las teorías de supersimetría más prometedoras fueron en gran medida descartadas.
Sin embargo, los WIMP han persistido, ya no ligados a la teoría que los originó. Y la última generación de detectores de materia oscura ha mantenido viva la búsqueda. Al fin y al cabo, Lippincott afirma: «la motivación para buscar materia oscura no se ha debilitado, ¿verdad?»
Ahora parece que esas WIMPs —si existen— podrían estar más allá de nuestras actuales capacidades de detección. Existe una serie de dificultades, pero la más extendida es que, cuando buscas una aguja en un pajar, incluso unos pocos objetos con forma de aguja pueden enturbiar la búsqueda. Las interacciones entre los neutrinos y el xenón dentro de los detectores, si bien son astronómicamente raras, hacen precisamente eso.
Un futuro y último experimento con WIMP investigaría el resto de los lugares donde los WIMP podrían estar escondiéndose, incluso adentrándose en la niebla de neutrinos. Una iniciativa llamada XLZD (un acrónimo algo poco elegante que refleja una fusión de colaboraciones existentes) utilizaría entre 60 y 80 toneladas métricas de xenón líquido, lo que equivale aproximadamente a la producción global anual de ese elemento raro y al menos seis veces más xenón de lo que contiene el detector actual más grande. Pero el proyecto podría haber sido ya frustrado, por razones no relacionadas con la niebla de neutrinos: En una reunión de física de partículas en diciembre de 2025, el Departamento de Energía de EE. UU. anunció que EE. UU. no albergaría XLZD ni pagaría su parte del coste, que podría superar los 300 millones de dólares. «Puede que el proyecto no se lleve a cabo en absoluto», dice Lippincott. «Y entonces la retirada de EE. UU. lo habría matado efectivamente.»
Mientras tanto, el campo de búsqueda de la materia oscura se ha expandido drásticamente. En 2022, los investigadores desarrollaron un gráfico enorme que muestra varios candidatos de lo que está hecha la materia oscura y sus posibles masas. Las opciones se dividieron principalmente en dos rangos que abarcan unas 50 órdenes de magnitud (esto es, 1050, o 10 con 49 ceros más). En el extremo pesado de la escala se encuentran los agujeros negros primordiales, objetos hipotéticos del tamaño de asteroides que se formaron poco después del Big Bang y que todavía podrían estar flotando por el universo.
Pero muchos físicos están más interesados en la opción más ligera: el axión.
Escuche atentamente
Al igual que el WIMP, el axión surgió por primera vez como una solución a los problemas del modelo estándar. En el caso del axión, su propósito era abordar una cuestión pendiente sobre la fuerza nuclear fuerte, la fuerza fundamental que mantiene unidos los núcleos atómicos. Los axiones fueron propuestos por teóricos en la década de 1970 como un ajuste matemático. Al añadir una partícula con una masa entre una billonésima y una millonésima parte de la de un electrón, pudieron explicar por qué la fuerza fuerte parece comportarse exactamente igual cuando se trata de materia y antimateria, a pesar de que no tendría por qué hacerlo—una cuestión sin respuesta conocida como el problema CP fuerte.
Los áxiones serían abundantes e interactuarían infrecuentemente con la materia ordinaria, dos características necesarias para la materia oscura. Sin embargo, detectar áxiones no es un paseo por el campo cósmico. Estas delicadas partículas solo portan una pizca de energía, aproximadamente la misma cantidad que una onda de radio. Eso las hace imperceptibles para los detectores de partículas tradicionales. (Las colisiones de protones en el LHC, por ejemplo, acumulan aproximadamente un trillón de veces más energía.)
Los físicos han desarrollado estrategias que esperan que den sus frutos. Una de las ideas más prometedoras es utilizar una cámara ultrafría impregnada de un fuerte campo magnético, a modo de radio, sintonizándola a longitudes de onda específicas. Si un axión resultara resonante, lo que significa que tiene la misma longitud de onda que la cámara, tiene la posibilidad de transformarse en algo mucho más fácil de detectar: una partícula de luz. El primer detector de tamaño completo, llamado haloscopio, fue construido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en 1994; hoy en día existe un conjunto de detectores por todo el mundo, con nombres acrónimos peculiares como MADMAX y ABRACADABRA.
Ajustar una radio cósmica para escuchar una partícula invisible y rara es complicado y requiere sensores cuánticos enfriados a temperaturas de millikelvin, una fracción de grado por encima del cero absoluto. Ni siquiera eso elimina por completo el ruido de fondo. «En un momento dado, detectamos un 'mensaje de Dios' en nuestro experimento», me dice Rybka con ironía. «Lo buscamos en la asignación de espectro de la FCC. Era una estación de programación religiosa».
Hasta ahora, los físicos de partículas han rastreado entre el 10% y el 20% del espacio de parámetros —el área en un gráfico que muestra cuán masiva e interactiva podría ser la materia oscura— donde podría existir un axión que resuelva el problema CP fuerte. Pero la búsqueda de axiones podría no terminar ahí. Los físicos también están buscando axiones que no aborden el problema CP fuerte pero que aun así podrían ser materia oscura. «Cada vez más gente piensa en modelos específicamente para la materia oscura, incluso sin conectar eso a ningún otro problema», dice Stefania Gori, teórica de la Universidad de Califo ia, Santa Cruz. «Claro», dice, «si se puede resolver más de un problema a la vez, es aún mejor».
Revolución silenciosa
A medida que la materia oscura ha seguido sin ser detectada, los físicos han descartado algunos de sus desiderata teóricos. Los candidatos mode os no necesitan la conveniencia de los WIMPs ni la pulcra simplicidad de los axiones; solo deben cumplir los requisitos para la materia oscura.
El ejemplo paradigmático de estos candidatos sin pretensiones es la materia oscura de baja masa, llamada así porque su peso se sitúa entre el de un electrón y un protón. Si un WIMP es una bola de billar, la materia oscura de baja masa es una bola de ping-pong, explica Rouven Essig, teórico de la Universidad de Stony Brook. Al igual que una bola de ping-pong golpeando bolos, la materia oscura de baja masa no tendría la masa suficiente para producir una señal clara de una colisión con núcleos atómicos. “Realmente se necesitó concebir nuevas ideas sobre cómo se podrían detectar las señales y, por supuesto, también nuevas tecnologías”, dice Essig.
Investigadores han diseñado detectores novedosos y los han instalado en laboratorios subterráneos de todo el mundo —a menudo justo al lado de sus predecesores detectores de WIMPs. Algunas de las nuevas máquinas buscan pruebas de que las partículas han chocado con electrones y los han ionizado. Otras observan cristales cuyas redes cristalinas deberían vibrar sutilmente tras un impacto de una partícula de este tipo. Incluso hay prototipos que buscan indicios en helio líquido, un superfluido sensible que debería generar una salpicadura al ser golpeado por materia oscura incidente.
Sin embargo, hay un inconveniente: el ruido. Si bien todos los experimentos de detección de materia oscura se ven dificultados por el ruido del exterior, las búsquedas de baja masa también padecen el estruendo intrínseco de sus medios detectores. Las redes atómicas, como las que se encuentran dentro de los cristales, son como un vagón de metro abarrotado, naturalmente propensas a sacudir y empujar a sus "pasajeros" electrones. No es el espacio tranquilo que uno desea si busca materia oscura.
Este ruido ha planteado retos. En 2020, surgió un número sorprendente de lo que los físicos denominan «eventos en exceso» en una serie de detectores que buscaban materia oscura de baja masa. ¿Podrían ser, se preguntaron algunos físicos, una señal de materia oscura? Desafortunadamente, el ruido que causaba la mayoría de estas lecturas ha sido identificado, y la respuesta es un «no» bastante rotundo.
El ruido de fondo puede provenir de cualquier lugar: impurezas en detectores basados en silicio, materiales que han pasado demasiado tiempo en la superficie terrestre (los rayos cósmicos los vuelven ligeramente radiactivos). En un experimento, un detector cristalino fue sujetado con demasiada fuerza; la presión adicional provocó vibraciones que parecían evidencia de materia oscura. «Siempre ha sido difícil comprender esos ruidos de fondo», afirma Dan McKinsey, experimentalista del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. «Pero hemos modificado nuestro enfoque tan rápidamente que, de repente, como comunidad, no comprendemos cuáles son los ruidos de fondo clave».
Comprender ese ruido de fondo es clave, especialmente a medida que los experimentos para detectar materia oscura de baja masa se hacen más grandes. En unos años, por ejemplo, McKinsey y sus colegas planean instalar una serie de experimentos de sobremesa en Modane, Francia, bajo 1.700 metros de roca sólida en la frontera italiana. Uno de ellos es un recipiente con aproximadamente una cucharada de helio líquido ultrafrío. Si una partícula de materia oscura de baja masa impacta el líquido, generará una vibración que rociará miles de átomos de helio hacia arriba, donde los detectores de silicio buscarán cambios microscópicos en el voltaje. Otros montajes funcionarán con cristales de zafiro-sílice y arseniuro de galio, un semiconductor.
Estos experimentos ayudarán a los investigadores a identificar los mejores enfoques para utilizar en detectores más grandes, más sensibles —y más caros—. “Todavía hay muchas ideas, y aún no está del todo claro cuál será la mejor para realmente escalar”, dice Essig. Por ahora, si cabe en una mesa y puede detectar materia oscura de forma plausible, los físicos están dispuestos a probarlo.
La máxima gravedad
El campo de búsqueda de la materia oscura va más allá de la superficie de cualquier mesa, o incluso de la propia Tierra. Algunos investigadores han sugerido que busquemos esta materia no en laboratorios subterráneos, sino en planetas, estrellas y lunas. Si las partículas de materia oscura se aniquilan ocasionalmente al encontrarse, podrían ionizar el hidrógeno en la atmósfera de un planeta, creando una aurora ultravioleta visible desde el espacio. Esta autoaniquilación también podría ser una potente fuente de calor, suficiente para fundir el núcleo de un planeta. El hecho de que el núcleo de la Tierra sea sólido establece límites para las características de la materia oscura, y medir con mayor precisión las temperaturas de los núcleos planetarios podría establecer restricciones aún más estrictas.
La búsqueda de indicios astrofísicos de materia oscura no es nueva, pero en los últimos años los físicos se han vuelto casi artísticos con sus propuestas. Una sugerencia particularmente evocadora: observar el océano helado de Ganímedes, la luna de Júpiter. Si la materia oscura es realmente muy pesada —posiblemente un agujero negro primordial—, podría perforar la superficie y dejar un cráter que sería muy diferente al causado por un asteroide.
Algunos físicos de partículas creen que sería mejor abandonar todas las suposiciones existentes y reorientarse. «Todo lo que sabemos sobre la materia oscura procede de su interacción con la gravedad», afirma Zurek, del Caltech. Si uno se concentra más específicamente en esa interacción, dice, al menos «se garantiza aprender algo». Sabemos cómo se comporta la materia oscura a escala del universo observable hasta las galaxias. «Por debajo de ese nivel, en realidad sabemos muy poco sobre cómo la materia oscura colapsa bajo el peso de la gravedad», dice Zurek. ¿Cómo, por ejemplo, se agrupa a nivel de un sistema solar?
En los últimos años, los físicos han adoptado un enfoque casi artístico en sus propuestas. Una sugerencia particularmente evocadora: observar el océano helado de Ganímedes, la luna de Júpiter.
Este no es un proyecto «para el año que viene» o «para dentro de cinco años». Las tecnologías de las que disponen actualmente los físicos simplemente no son lo suficientemente sensibles como para detectar estas interacciones gravitatorias. Por eso, Zurek está pensando a largo plazo. A un plazo verdaderamente largo. «Va a llevar décadas, quizás cien años», reconoce. «Puede que no sea algo que llegue a ver en vida.»
Algún día —quizás mediante el monitoreo de la sincronización de púlsares distantes (los restos giratorios de estrellas muertas) o midiendo ligeras perturbaciones en la interacción gravitatoria entre átomos suspendidos en láseres— los físicos podrían aprender más sobre la verdadera naturaleza de la materia oscura.
Por ahora, la magnitud del problema parece desalentadora, especialmente comparada con los que los físicos de partículas han abordado en el pasado. Antes incluso de que el LHC se encendiera, por ejemplo, quienes buscaban el bosón de Higgs habían acotado su presa. Sabían, a partir de rigurosos cálculos teóricos y sólidas mediciones experimentales, que si el bosón existía, debía pesar entre 120 y 150 veces la masa de un protón. Poco después de que el LHC comenzara a hacer colisionar protones, el Higgs emergió de los datos, justo a 133 veces la masa de un protón.
La materia oscura, por el contrario, sigue siendo un misterio casi total. Rybka compara adivinar su masa o su fuerza de interacción con «sacar números de un sombrero». «Literalmente, ni siquiera sabemos cómo es el sombrero», añade.
Con tantas incógnitas, el éxito dista mucho de estar asegurado, y los investigadores no se hacen ilusiones. «No hay ningún descubrimiento garantizado. Podrías estar perdiendo el tiempo por completo», afirma Essig.
Nada de esto le ha disuadido a él ni a otros. «Esa es simplemente la naturaleza del problema. Tenemos que buscar a lo largo y ancho y explorar muchas cosas», dice Essig. «Si no te gusta, haz otra cosa».
Dan Garisto es un periodista independiente de física con sede en Syracuse, Nueva York.