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La materia oscura invisible constituye la mayor parte del universo, pero sólo podemos detectarla a partir de sus efectos gravitatorios.
Las galaxias en nuestro universo parecen estar logrando una hazaña imposible. Están girando con tal velocidad que la gravedad generada por su materia observable no podría posiblemente mantenerlos juntos; Deberían haberse desgarrado hace mucho tiempo. Lo mismo ocurre con las galaxias en racimos, lo que lleva a los científicos a creer que algo que no podemos ver está en acción. Ellos creen que algo que todavía tenemos que detectar es dando directamente a estas galaxias una masa extra, generando una gravedad extra que necesitan para mantenerse intactas. Esta materia extraña y desconocida se llamaba “materia oscura”, ya que no es visible.
A diferencia de la materia normal, la materia oscura no interactúa con la fuerza electromagnética. Esto significa que no absorbe, refleja o emite luz, por lo que es extremadamente difícil de detectar. De hecho, los investigadores han sido capaces de inferir la existencia de materia oscura sólo del efecto gravitatorio que parece tener sobre la materia visible. La materia oscura parece superar a la materia visible aproximadamente seis a uno, constituyendo alrededor del 27% del universo. He aquí un hecho aleccionador: ¡La materia que conocemos y que compone todas las estrellas y galaxias sólo representa el 5% del contenido del universo! Pero, ¿qué es materia oscura? Una idea es que podría contener “partículas supersimétricas” – partículas hipotetizadas que son parejas a las ya conocidas en el Modelo Estándar. Los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) pueden proporcionar pistas más directas sobre la materia oscura.
Muchas teorías dicen que las partículas de materia oscura serían lo suficientemente livianas como para ser producidas en el LHC. Si fueran creados en el LHC, escapaban inadvertidamente a través de los detectores. Sin embargo, llevarían la energía y el impulso, por lo que los físicos podrían inferir su existencia de la cantidad de energía y el impulso “desaparecidos” después de una colisión. Los candidatos de materia oscura surgen con frecuencia en teorías que sugieren la física más allá del Modelo Estándar, como la supersimetría y las dimensiones adicionales. Una teoría sugiere la existencia de un “Hidden Valley”, un mundo paralelo hecho de materia oscura que tiene muy poco en común con la materia que conocemos. Si una de estas teorías resultó ser verdadera, podría ayudar a los científicos a comprender mejor la composición de nuestro universo y, en particular, cómo las galaxias se mantienen unidas.
La energía oscura
La energía oscura constituye aproximadamente el 68% del universo y parece estar asociada con el vacío en el espacio. Se distribuye uniformemente en todo el universo, no sólo en el espacio, sino también en el tiempo; en otras palabras, su efecto no se diluye a medida que el universo se expande. La distribución uniforme significa que la energía oscura no tiene ningún efecto gravitatorio local, sino más bien un efecto global sobre el universo en su conjunto. Esto conduce a una fuerza repulsiva, que tiende a acelerar la expansión del universo. La velocidad de expansión y su aceleración se pueden medir por observaciones basadas en la ley de Hubble. Estas mediciones, junto con otros datos científicos, han confirmado la existencia de energía oscura y proporcionan una estimación de cuánto de esta misteriosa sustancia existe.
Un nuevo experimento que busca la materia oscura en el CERN (2016)
El experimento NA64 inició sus operaciones en el Área Norte del CERN a principios de este año. Utiliza una configuración única para buscar un tipo específico de partícula de materia oscura llamada fotón oscuro. Algunas teorías sugieren que la materia oscura consiste en una familia de nuevas partículas y fuerzas. Además de la gravedad, las partículas de materia oscura podrían interactuar con la materia visible a través de una nueva fuerza, que hasta ahora ha escapado a la detección. Así como la fuerza electromagnética es llevada por el fotón, se cree que esta fuerza oscura es transmitida por una partícula llamada fotón oscuro. Se predice que tiene una interacción sutil (una “mezcla” en la jerga de la física de partículas) con el fotón regular y por lo tanto actúa como mediador entre la materia visible y la materia oscura. El experimento NA64 del CERN busca firmas de esta interacción entre la visible y la oscura usando un concepto de física simple pero potente: la conservación de la energía.