¿Cómo se busca materia oscura en el universo? ¿Y qué tiene que ver esto con acelerar partículas a toda velocidad en una máquina que mide kilómetros? El Large Hadron Collider es probablemente la máquina más sofisticada que ha creado el ser humano en toda su historia. Durante el pasado Campus Aquae 2017, en Cartagena, Murcia, tuvimos la oportunidad de hablar con Pablo Martínez Ruiz del Árbol, un físico de la Universidad de Cantabria que trabaja liderando y coordinando búsquedas de materia oscura en el CMS del LHC. Además, este físico fue el encargado de calibrar los detectores de muones de este sistema de detección. ¿Cómo se cumple con semejante tarea?
Calibrar la máquina más sofisticada del mundo
El LHC, como decíamos, es el ingenio tecnológico más sofisticado y complejo que jamás hayamos diseñado y construido. Hablamos de una máquina que mide veintisiete kilómetros de circunferencia, trabaja a casi dos grados por encima del cero absoluto y "dispara" partículas al 99,99% de la velocidad de la luz. ¿Y para qué necesitamos algo como el LHC? Este enorme laboratorio fue diseñado para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones, con el propósito principal de examinar la validez y límites del Modelo Estándar de la física. Este, como recordaréis, es actualmente el marco teórico de la física de partículas que aceptamos y usamos para conocer el universo tal y como es.
Un experimento tan gigantesco puede dividirse en otros experimentos que forman el conjunto. Entre ellos se encuentra el CMS, o Solenoide compacto de Muones, uno de los dos detectores de partículas de propósito general del Gran Colisionador de Hadrones. Este detector tiene una forma cilíndrica, con más de veinte metros de largo por dieciséis de ancho. Y pesa nada menos que 12.500 toneladas. ¿Cómo se pone a punto tremendo armatoste? "La exigencia es que un cacharro que mide veintiún metros de altura esté alineado con 200 micras de precisión. Se puede hacer con láseres, pero yo lo calibraba con unas partículas que 'llueven' del cielo llamadas muones".
Con estas palabras, Pablo nos cuenta su experiencia como doctorando. Su tesis versó sobre la calibración de este aparato. "Usando estos muones, con técnicas matemáticas avanzadas, puedes decir con precisión dónde están los detectores. Eso es lo que hice durante mi tesis". Los muones son unas partículas subatómicas con una masa 200 veces mayor que la del electrón.
Cuando el LHC comenzó a funcionar, Pablo estaba en primera línea, nervioso, ya que de su trabajo dependía, en gran parte, de que el LHC funcionara correctamente. Y funcionó, como sabemos. El CERN es uno de los centros colaborativos más prolíficos de nuestro tiempo.
"La materia oscura es transparente"
Uno de los temas más apasionantes en los que Pablo está envuelto es la búsqueda de una de las sustancias más extrañas y misteriosas del universo: la materia oscura. "De momento la única manera de detectarla es a través de sus fenómenos gravitatorios". Con estas palabras, el físico nos explica que no es posible, por el momento, detectar directamente la materia oscura. ¿A qué se debe? "La materia oscura sí que interactúa gravitacionalmente, como la materia ordinaria, pero no interacciona ni electromagnéticamente ni mediante fuerzas nucleares ni nada por el estilo", afirma. "La llamamos oscura, pero en realidad no es oscura. Es transparente".
Al no interaccionar con la luz, ni con ninguna de las señales que usamos para explorar el cosmos, es imposible saber que realmente está ahí. O eso creemos. "Existen tres técnicas en desarrollo para intentar detectar materia oscura", nos explica el físico. "La primera consiste en comprobar si la materia interacciona consigo misma, si da lugar a algún tipo de fotón". Si una partícula de materia oscura chocara con otra, como ocurre con los electrones, por ejemplo, el resultado sería la formación de un fotón.
"Hay muchos experimentos observacionales que están barriendo la galaxia en busca de un exceso de emisión fotones que no se pueda explicar a partir de las fuentes que conocemos". El problema, explica Pablo, es que la galaxia es un sitio complejo donde hay una infinidad de procesos, fenómenos, fuentes... que dificultan esta tarea. "Otro método", continúa, "consiste en construir aquí, en la Tierra, detectores bajo el suelo; en sitios recónditos, en minas y lugares en los que no exista ruido".
Allí lo que hacen es esperar a que un trocito de materia oscura que pase por la Tierra interaccione con un átomo de materia. ¿De qué manera? Pues moviéndolo. Como decíamos, no interacciona de forma "clásica" con la materia ordinaria. Pero sí que lo haría mediante la gravedad, ya que posee masa, lo que podría desviar a algún átomo aislado. Esto lo sabríamos porque se habría movido sin razón aparente. "La interpretación sería que ha pasado una partícula de materia oscura y ha golpeado al átomo. La tercera manera sería obtener antimateria en los colisionadores". Colisionadores como el LHC, por supuesto. "Esto consistiría en que, a partir de dos 'trozos' de materia, produzcas uno de antimateria". Y es que la materia oscura está a nuestro alrededor, constantemente, aunque no la veamos.
¿Qué tiene de especial la materia oscura?
"No pretendo dar una visión, ni mucho menos, catastrofista", explica Pablo cuando insistimos en por qué debería importarnos la materia oscura. "Si a la gente le hablas de un supuesto meteorito que se acercara a la Tierra, todo el mundo estaría de acuerdo en que es algo que deberíamos investigar. ¿Y si viniera una masa de materia oscura? Los tiempos en el universo son muy grandes y mil años no son nada. Pero con el tiempo, la gravedad puede desestabilizar un sistema. Imagina lo siguiente: un cúmulo de materia oscura muy masiva desestabiliza, por ejemplo, a una estrella cercana. Así, la mueve y la lanza contra otra", continúa.
"Por supuesto, es un proceso que tardaría miles de millones de años, pero está ahí, es algo que necesitamos conocer. Porque, como dicen en las películas, la materia oscura 'está entre nosotros'. Y no sabemos ni lo que es". Por otro lado, la materia oscura también nos ayuda a darle una explicación al universo que conocemos. "La materia oscura explica por qué se producen las agregaciones que vemos en el universo. Que haya galaxias depende de la materia oscura", sentencia.
De vuelta al LHC
Desde que se puso en marcha, el LHC ha estado buscando (y encontrando nuevas partículas más masivas y energéticas. Como recordaréis, en LHC permaneció un tiempo parado debido a un pequeño accidente. "Para aliviar los mecanismos que se encargan de que el sistema aguante bien las enormes fuerzas mecánicas a las que se somete el LHC hay unas válvulas. En el primer sobrecalentamiento, la válvula no terminó de actuar bien y hubo una pequeña explosión, por parte de la válvula, y movió el tubo. Esto hubiera sido fácil de reparar, pero lo que costó más tiempo es que hubo que rediseñar el sistema de válvulas y eso lleva más trabajo".
Un trabajo que implicó a miles de personas, como todo lo que se realiza en el CERN. Sólo en el CMS colaboraron para su construcción unas 2.600 personas procedentes de 180 institutos científicos diferentes. Entre ellos estaba Pablo. "El entorno del CERN es muy multicultural. Es agotador también, pero aprendes mucho de cómo funcionan en otros países. Allí hay aspectos culturales muy importantes y eso te abre mucho la mente". Y es que el laboratorio más grande que existe requiere de recursos y personas excepcionales. "La gente se piensa que en el CERN somos cuatro gatos. Pero este laboratorio es fruto de la colaboración de miles de personas".