La materia oscura, ese "pegamento invisible" que asegura la cohesión de las galaxias en el Universo, intriga a los científicos desde hace mucho tiempo, pero un descubrimiento importante podría ayudar a resolver el misterio.
Sin la materia oscura, nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, no podría mantener la cohesión de su estructura en espiral. Los trabajos en los que participa la profesora Maia Vergniory, del Instituto Cuántico, permiten que la ciencia se acerque a una explicación de este fenómeno.
Foto: Michel Caron - UdeS
Gracias a los descubrimientos realizados por el astrónomo Edwin Hubble en 1929, sabemos que el Universo se expande desde su nacimiento. Pero las mediciones posteriores sobre la velocidad de esta expansión revelaron un enigma que fascina a la comunidad científica desde hace décadas: según las leyes de la física, la masa observable del Universo es claramente insuficiente para permitir las velocidades medidas.
Para explicar el fenómeno, muchos investigadores postularon, desde los años 30, la existencia de una "materia oscura", un material indetectable por los medios clásicos, que compondría cerca del 85 % de la masa universal total y permitiría mantener la cohesión de estructuras como las galaxias.
Entre las hipótesis planteadas para describir la naturaleza de esta materia desconocida se encuentran los axiones, partículas teóricas propuestas inicialmente para resolver el problema de la simetría carga-paridad (CP) fuerte en el Modelo Estándar de la física. Estas partículas, que la investigación intenta descubrir desde hace más de 40 años, habrían sido generadas en el momento del Big Bang.
Fue al intentar observarlas que el equipo internacional, del que forma parte la profesora Maia Vergniory, de la Facultad de Ciencias de la UdeS, logró un avance experimental determinante, que acerca a la ciencia a una prueba de su existencia. La profesora Vergniory cofirma así un avance importante cuyos resultados podrían iluminar nuestra comprensión de uno de los mayores misterios de nuestro tiempo, y que se publica en la prestigiosa revista
Science, este viernes 10 de enero de 2025.
"Es un avance extraordinario, porque, además de explicar un misterio importante de nuestra historia natural, este logro tiene el potencial de generar beneficios tecnológicos sustanciales. Los cristales que hemos diseñado para realizar nuestro experimento son capaces de guiar los fotones hacia su borde en una sola dirección, sin desviarse, una propiedad esencial para la transmisión de datos, que también podría reducir los riesgos de errores en la computación cuántica", explica la profesora Maia Vergniory, de la Facultad de Ciencias.
Para lograr este avance, el equipo primero imaginó y diseñó estructuras cristalinas geométricas hechas de un material sintético elegido por sus propiedades magnéticas y ópticas, el granate de itrio-hierro.
El equipo observó que, en los bordes tridimensionales de estas estructuras, los fotones se movían de manera unidireccional, por ejemplo, subiendo, avanzando y hacia la derecha, sin sufrir fenómenos como la dispersión hacia atrás. Este comportamiento de los fotones en el cristal también coincide con lo que predice la teoría para los axiones, lo que sugiere que los fotones observados son, de hecho, axiones convertidos en fotones.
"Nos acercamos así al día en que podremos probar su existencia mediante una observación directa, lo que constituiría un avance importante en nuestra comprensión de la materia oscura", indica la profesora Maia Vergniory.
El próximo paso para el equipo consistirá en optimizar sus estructuras cristalinas para utilizarlas en experimentos destinados a detectar fotones convertidos a partir de axiones en condiciones extremas, como poderosos campos magnéticos.
Tres candidatos teóricos para explicar la materia oscura
La materia oscura es un material misterioso detectable únicamente por los efectos gravitacionales que ejerce sobre su entorno. Aunque aún no ha sido observada directamente, tres partículas teóricas son candidatas para explicar su existencia:
- Los axiones: partículas hipotéticas ligeras generadas en el momento del Big Bang.
- Los WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles): partículas masivas que interactúan débilmente.
- Los MACHOs (Massive Compact Halo Objects): objetos compactos como estrellas muertas o agujeros negros (hoy considerados insuficientes para explicar la materia oscura).
La investigación en la que ha contribuido Maia Vergniory ha movilizado a numerosas personas en tres continentes. Dirigida por el profesor Zhang Baile, de la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur), también reunió a investigadores del Instituto Max Planck para la Física Química de los Sólidos (Alemania), de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (Suiza), del Centro Internacional de Física de Donostia (España), de la Universidad del País Vasco y de la Fundación Vasca para la Ciencia (España), de la Universidad Tecnológica de Dongguan (China), de la Universidad de Nanjing (China), de la Southern University of Science and Technology (China), de la Universidad de Electrónica, Ciencia y Tecnología de China, y de la Universidad Westlake (China).
Fuente: Universidad de Sherbrooke