La búsqueda de materia oscura suma dos pistas, pero ninguna es un descubrimiento

La materia oscura sigue siendo una de las grandes incógnitas de la física: sabemos que su gravedad influye en galaxias y cúmulos, pero todavía no hemos identificado directamente las partículas que podrían componerla. Ahora, dos líneas de investigación han aportado nuevas pistas desde extremos opuestos: una desde las profundidades de una mina canadiense y otra desde el espacio.

La cautela es esencial. Ninguno de los dos resultados constituye un descubrimiento de materia oscura. SuperCDMS SNOLAB apenas comienza su fase científica inicial, mientras que la señal de rayos gamma observada en datos del telescopio Fermi sigue siendo una pista que debe confirmarse.

1. SuperCDMS SNOLAB comienza su primera fase científica

Por qué está bajo tierra y a temperaturas extremas

El experimento SuperCDMS SNOLAB se encuentra aproximadamente 2 kilómetros bajo tierra, en SNOLAB, un laboratorio profundo situado en la mina Vale Creighton, cerca de Sudbury, en Ontario (Canadá). La roca que lo rodea ayuda a reducir el fondo provocado por rayos cósmicos y otras formas de radiación que podrían imitar una interacción de materia oscura. 81113

El detector también opera a una temperatura extraordinariamente baja. Sus cristales de silicio y germanio se mantienen a unos 15 milikelvin, es decir, apenas unas milésimas de grado por encima del cero absoluto. En esas condiciones, el experimento puede reducir el ruido térmico y buscar los diminutos depósitos de energía que produciría una partícula ligera de materia oscura al golpear un cristal. 1215

Qué busca SuperCDMS

El sistema está compuesto por 24 detectores fabricados con dos materiales: germanio y silicio. Los detectores se distribuyen en torres y combinan tecnologías capaces de medir señales de calor y de carga. Así, el experimento puede alcanzar umbrales de energía muy bajos y, al mismo tiempo, distinguir mejor las interacciones reales de los posibles fondos. 101114

Ese diseño le da a SuperCDMS un papel específico dentro de la búsqueda mundial. En lugar de centrarse únicamente en candidatos pesados, el experimento está pensado para estudiar partículas de materia oscura relativamente ligeras, incluidas algunas difíciles de detectar para experimentos de mayor tamaño optimizados para otros rangos de energía. 69

Qué significa esta primera etapa

La recopilación inicial de datos llega después de unos seis meses de puesta en marcha y calibración. No se trata todavía de la operación definitiva con la máxima sensibilidad: el equipo utiliza esta fase para comprobar el funcionamiento de los detectores, conocer mejor los fondos y perfeccionar el análisis. La búsqueda a escala completa está prevista para comenzar en 2027. 12

La diferencia es importante. Los primeros datos podrían producir límites útiles sobre ciertos modelos de materia oscura o incluso revelar un evento candidato inesperado. Sin embargo, la mayor capacidad para poner a prueba estas hipótesis llegará cuando el sistema esté completamente caracterizado y funcione con la sensibilidad prevista.

2. Los datos de Fermi muestran una línea gamma tentativa a 43,2 GeV

Qué encontró el análisis

En un estudio independiente se analizaron 15,5 años de datos públicos del telescopio espacial Fermi, obtenidos con su instrumento Large Area Telescope (Fermi-LAT). La muestra incluyó 13 cúmulos de galaxias masivos y cercanos. El análisis identificó un exceso con forma de línea cerca de 43,2 GeV, cuya contribución más destacada procedía de los cúmulos de Virgo, Fornax y Ofiuco.

Una línea estrecha de rayos gamma resulta interesante porque algunos modelos de materia oscura predicen que, al aniquilarse, sus partículas podrían producir fotones con una energía característica. Bajo esa interpretación, la señal podría ser compatible con la aniquilación de partículas masivas de interacción débil, conocidas como WIMPs, por sus siglas en inglés. Pero eso convertiría el resultado en una posible pista de física de partículas, no en una medición directa de la materia oscura.

Por qué todavía no es un descubrimiento

La señal es llamativa, pero la significación estadística no equivale a una confirmación. Según el relato proporcionado, el resultado alcanza aproximadamente 4,3 sigma, por debajo del umbral de 5 sigma que suele utilizarse como referencia para anunciar un descubrimiento en física de partículas. Además, un resumen independiente de análisis relacionados de la línea a 43 GeV sitúa la significación posterior a las pruebas en 3,7 sigma, después de tener en cuenta el efecto de mirar en muchos lugares: la penalización estadística por explorar numerosos intervalos de energía y selecciones de datos.

Una señal con forma de línea también podría aparecer por otros motivos, entre ellos:

• un modelo imperfecto de los fondos astrofísicos de rayos gamma;
• una fluctuación estadística favorecida por elegir energías u objetivos prometedores; o
• un efecto del instrumento, de la calibración o de la selección de eventos.

Los análisis anteriores de cúmulos realizados con Fermi-LAT también describieron una posible señal cerca de 43 GeV, pero no encontraron una línea estadísticamente significativa a escala global. Por eso, el resultado más reciente debe interpretarse como una invitación a realizar nuevas comprobaciones, no como una prueba de que se han detectado WIMPs.

Dos experimentos, dos formas de buscar la misma materia invisible

SuperCDMS y el análisis de Fermi estudian posibilidades distintas:

• SuperCDMS es un experimento de detección directa: espera que una partícula de materia oscura deposite energía al chocar con un cristal frío de germanio o silicio.
• El análisis de Fermi es una búsqueda indirecta: rastrea radiación que podría producirse cuando partículas de materia oscura se aniquilan en estructuras cósmicas densas, como los cúmulos de galaxias.

Un resultado positivo en cualquiera de los dos enfoques tendría que distinguirse de los fondos ordinarios y reproducirse con pruebas adicionales. La coincidencia entre métodos independientes sería especialmente convincente, pero todavía no estamos en ese punto.

Qué puede ocurrir a continuación

En la búsqueda subterránea, el próximo hito será pasar de la puesta en marcha y la fase científica inicial a la operación de SuperCDMS con su sensibilidad completa, prevista para 2027. Una exposición mayor y una mejor caracterización de los fondos permitirán poner a prueba con más rigor los modelos de materia oscura ligera. 26

En el caso de la señal gamma, la prueba decisiva será su repetición. Nuevas observaciones, con mayor sensibilidad o mejor resolución energética, podrán determinar si el rasgo cercano a 43 GeV aparece de forma consistente en los mismos cúmulos y si se comporta como predicen los modelos de materia oscura. Las mediciones de instrumentos independientes serían especialmente útiles para descartar efectos sistemáticos propios de Fermi.

El telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA estudiará el problema desde otra perspectiva. Sus observaciones infrarrojas de gran campo y sus mediciones de lentes gravitacionales ayudarán a cartografiar cómo se distribuye la materia oscura y cómo moldea las galaxias visibles, en lugar de buscar directamente WIMPs.

En conjunto, estos programas muestran por qué la investigación sobre materia oscura avanza mediante estrategias complementarias: buscar posibles colisiones en la Tierra, rastrear productos de aniquilación en el espacio y medir la influencia gravitatoria de esa materia invisible en todo el universo.

Por ahora, la conclusión más rigurosa es también la más sobria: la búsqueda ha ganado dos pistas valiosas, pero todavía ninguna respuesta confirmada.