Un equipo científico internacional de la colaboración MAGIC ha observado el centro de la Vía Láctea durante 233 horas en busca de rayos gamma de muy alta energía que podrían proceder de partículas de materia oscura. Las observaciones no han revelado ningún indicio de la elusiva materia oscura, pero ayudarán a la comunidad científica a definir las posibles propiedades de las partículas candidatas a formar esta sustancia. La colaboración ha publicado estos recientes resultados en la prestigiosa revista Physical Review Letters.
Para llevar a cabo la observación de este estudio, los científicos emplearon el sistema de telescopios MAGIC de alta sensibilidad, situado en el observatorio del Roque de Los Muchachos, en la isla canaria de La Palma. Este sistema consta de dos telescopios, cada uno con un espejo de 17 metros de diámetro y una cámara de fotodetección de alta sensibilidad. Los telescopios captan destellos (luz Cherenkov) que se producen cuando luz de energía muy superior a la energía de la luz visible (miles de millones de veces más energética) choca contra la atmósfera de la Tierra. De este modo, MAGIC puede realizar observaciones desde tierra aunque estos fotones altamente energéticos no penetren en nuestra atmósfera.
La altísima sensibilidad del sistema de telescopios MAGIC es crucial, ya que la masa de las partículas candidatas a formar materia oscura y, por tanto, la luz que puede producirse en sus interacciones, podría estar en torno a energías del orden de los teraelectronvoltios (TeV). Para poder distinguir cualquier posible señal de materia oscura de entre fenómenos astrofísicos ya conocidos, los científicos de MAGIC buscaron específicamente "líneas" de rayos gamma, es decir, luz emitida dentro de un rango de energías muy estrecho y específico. Al igual que las líneas de las huellas dactilares humanas, que permiten identificar a una persona en la escena de un crimen, estas líneas de energía (TeV-lines) revelerían interacciones entre partículas mucho más pesadas que las ya conocidas y recogidas en el Modelo Estándar y, por tanto, podrían considerarse una "señal inequívoca" de materia oscura.
Para este estudio, los telescopios MAGIC se han dirigido al centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, porque se conoce que esta región alberga una gran concentración de materia oscura. Tras analizar un total de 223 horas de observación a lo largo de siete años, de 2013 a 2020, los científicos no han encontrado ninguna línea de energía en el rango de interés.
Tomohiro Inada, investigador postdoctoral afiliado al ICRR (Institute for Cosmic Ray Research) y a la Universidad de Tokio (Japón), uno de los autores principales de este trabajo, afirma: "Observamos alrededor del centro galáctico de la Vía Láctea para buscar pequeñas señales de materia oscura. Lamentablemente no encontramos señales, pero nuestros resultados pusieron a prueba uno de los nuevos modelos propuestos más allá del Modelo Estándar, las llamadas partículas supersimétricas (SUSY), y hemos demostrado el potencial de nuestro telescopio para un caso de física tan fundamental".
Daniel Kerszberg, investigador con beca Ramón y Cajal en el IFAE (Instituto de Física de Altas Energías, Barcelona) y uno de los autores de este trabajo, añade: "El centro de la Vía Láctea es una región repleta de fuentes astrofísicas que también emiten fotones de alta energía, por lo que tuvimos que ser muy cuidadosos a la hora de utilizar las herramientas estadísticas para encontrar posibles señales de materia oscura". Los resultados obtenidos en este estudio ayudarán a la comunidad teórica a definir, aún más, las posibles propiedades de las partículas de materia oscura y los modelos físicos de los que pueden proceder.
Moritz Huetten, investigador postdoctoral en el ICRR y en la Universidad de Tokio (Japón), y también parte del equipo que dirige esta investigación, afirma: "La cota máxima para la posible fuerza de interacción entre partículas de materia oscura depende en gran medida de la densidad de partículas de materia oscura que esperamos que haya en el centro de nuestra galaxia. Por tanto, probamos nuestros datos para diferentes distribuciones de la materia oscura en el interior de la Vía Láctea".
En el futuro, la técnica aplicada permitirá búsquedas aún más sensibles con los telescopios MAGIC y la nueva generación de experimentos de rayos gamma de muy alta energía, como los Large Size Telescopes (LST) del Cherenkov Telescope Array (CTA), que se están construyendo actualmente también en la Palma. Como en toda buena novela, reducir la lista de sospechosos suele ser el primer paso para resolver el misterio.
Descubrir la naturaleza de la materia oscura, un gran reto para la comunidad científica
Aunque numerosas observaciones astronómicas -como las curvas de rotación de las galaxias, las lentes gravitacionales y la formación de estructuras en todo el Universo- demuestran claramente que la mayor parte de la materia del universo es de un tipo muy distinto al de la materia que encontramos en nuestra vida cotidiana, la naturaleza exacta de esa "materia oscura" ha esquivado hasta ahora todos los intentos de rastrearla.
La comunidad física supone que la materia oscura puede estar formada por partículas aún no descubiertas, más allá del marco del actual Modelo Estándar de la física. Por tanto, si se identifican, podrían allanar el camino hacia una comprensión más profunda de la Naturaleza en su conjunto.
La caza de estas partículas lleva décadas en marcha, y científicos de todo el mundo emplean potentes aceleradores de partículas, grandes experimentos en cavernas subterráneas y enormes telescopios para intentar arrojar luz sobre la naturaleza de esta misteriosa sustancia.
Estos esfuerzos, sin embargo, suponen un gran reto debido precisamente a la naturaleza escurridiza de las partículas candidatas a formar materia oscura: se estima que son mucho más pesadas que las partículas que encontramos en los núcleos de los átomos e interactúan, como mucho, a través de la gravedad y quizá mediante la llamada fuerza débil. Pero además, carecen de la propiedad básica por la que normalmente identificamos y estudiamos la materia ordinaria: la capacidad directa de absorber o emitir luz. Debido a ello, cualquier posible huella de la materia oscura es muy difícil de rastrear.
Sin embargo, la comunidad investigadora no pierde la esperanza: algunas partículas de materia oscura podrían interactuar entre sí y, con el tiempo, producir señales únicas como la emisión de luz muy energética.
