¿Cuál es la naturaleza de la Materia Oscura? ¿Qué es la Energía Oscura que acelera la expansión del universo? ¿Cuál es la masa de los neutrinos? La teoría del Big Bang supuso una herramienta para entender la historia del Universo, pero aún surgen cuestiones sobre la evolución de la materia a todas las escalas. Las Astropartículas son probablemente una de las claves en todos estos misterios. Una mejor comprensión de estos nuevos mensajeros ofrecerá una marea de nuevos conocimientos. Pero surge otra pregunta: ¿encajarán estos descubrimientos en nuestras teorías actuales o nos obligarán a desarrollar una nueva física, revolucionando una vez más nuestra visión del mundo?

Debido a la Materia Oscura, la estructura del Universo se asemeja a una gran tela de araña. ¿Aceleradores? ¿Experimentos de Astropartículas? Sea de donde sea que lleguen nuevas revoluciones, cambiarán seguro nuestra concepción de la materia, el Universo y su historia. Por otro lado, proyectos como LAGUNA pueden arrojar luz sobre los secretos de los neutrinos y sus extrañas propiedades. ¿Abrirán una nueva era en la Física más allá del Modelo Estándar?

Los retos tecnológicos de los físicos estimulan a los científicos e ingenieros. Los aparatos desarrollados para estas investigaciones básicas encuentran otras aplicaciones y algunos permiten por ejemplo explorar el interior de los volcanes, el cuerpo humano, la corteza terrestre, monitorizar la atmósfera y los océanos…

Para detectar las señales inducidas por los hipotéticos WIMPs, partículas masivas postuladas como posibles constituyentes de la materia oscura, algunos experimentos alojados en laboratorios subterráneos utilizan detectores que trabajan a temperaturas cercanas al cero absoluto y sensibles a variaciones de temperatura de millonésimas de grado. Los laboratorios subterráneos ofrecen también el entorno ideal para medidas de bajas contaminaciones y otras aplicaciones.  Por otro lado, los detectores de rayos cósmicos pueden utilizarse para inspeccionar el interior de volcanes o pirámides, como observatorios oceánicos para estudiar los fondos abisales.

Imagen: El volcán Sarychev en erupción (NASA).

En la oscuridad de laboratorios subterráneos, bajo el mar o en el espacio, los científicos inventan nuevos instrumentos, mejoran la sensibilidad de sus detectores y reducen el ruido de fondo para seguir extendiendo los límites de nuestra comprensión de la materia y el Universo, de lo infinitamente pequeño y lo infinitamente grande.

Para comprender la materia es necesario desentrañar su estructura íntima y las reglas de ensamblaje de sus distintos componentes, por ejemplo descomponiéndola. Los físicos observan el resultado de las colisiones de partículas aceleradas a gran velocidad. En el CERN, el LHC, con sus 27 kilómetros de circunferencia es la última joya de estos aceleradores. Acelerará protones al 99.9999991% de la velocidad de la luz, dando 11245 vueltas al acelerador por segundo. Los experimentos alojados a lo largo del anillo estudiarán la materia buscando el bosón de Higgs, antimateria o materia oscura, es decir, algunas de las cuestiones más excitantes actualmente en la Física.

Durante un siglo, el origen de los rayos cósmicos más energéticos ha constituido un misterio. Desde todas las direcciones del espacio, partículas de energías extremas atraviesan el espacio casi a la velocidad de la luz. Identificar las fuentes capaces de acelerar estas partículas a energías millones de veces superiores a las producidas en los mayores aceleradores de la Tierra es uno de los retos de la nueva generación de grandes observatorios.

Los rayos cósmicos colisionan en la alta atmósfera provocando flujos de partículas secundarias llamados ‘cascadas’ o ‘lluvias’ de partículas, que pueden extenderse en superficie a lo largo de decenas de kilómetros cuadrados. Los rayos cósmicos más energéticos se cree que son producidos en los chorros emitidos por los núcleos activos de algunas galaxias y son cazados en observatorios que cubren enormes extensiones de superficie, ya que son muy escasos: uno por kilómetro cuadrado por siglo! En la pampa argentina un bosque de 1600 detectores registra estas partículas secundarias, es el observatorio Pierre Auger. Este nuevo tipo de instrumentación estudia la física de los rayos cósmicos analizando sus interacciones e identificando las direcciones de las que proceden. La misión espacial JEM-EUSO es una colaboración internacional de doce países, liderada por Japón y donde siete países son europeos, que permitirá desde la Estación Espacial Internacional detectar la radiación cósmica a las más extremas energías jamás observadas, en el rango del ZeV (10²¹ electronvoltios).

Imagen: Astronomy Picture of the Day #608 (NASA)

Los fenómenos más violentos, como la formación de agujeros negros, explosiones de supernovas, colisiones de dos estrellas de neutrones, hacen vibrar el espacio-tiempo. Como un eco, las ondas gravitacionales generadas deben invadir todo el Universo. Escuchando estas vibraciones casi imperceptibles, algunos instrumentos ultra sensibles, capaces de detectar fluctuaciones tan pequeñas como la milmillonésima de un diámetro atómico, observan el espacio incansablemente para identificar estas sacudidas del Universo.

Según la Relatividad de Einstein, la presencia de materia curva el espacio-tiempo. Una explosión estelar debería producir ondas gravitacionales, moviéndose a la velocidad de la luz. Una de las posibilidades para detectarlas es colocar en el espacio, en superficie, o bajo tierra interferómetros láser extremadamente sensibles, como el proyecto ET (Telescopio Einstein). Estos experimentos intentan medir con gran precisión el movimiento infinitesimal de masas suspendidas libremente, que podrían revelar la existencia de irregularidades en el espacio-tiempo provocadas por algún lejano cataclismo cósmico o incluso por la gran explosión primordial: el Big Bang.

Imagen: “Choque de dos agujeros negros y la onda gravitacional generada”, una simulación de la NASA.