La matèria fosca és un dels majors misteris de l'univers. No emet ni reflectix llum, però la seua existència es deduïx pels efectes gravitatoris que exercix sobre la matèria visible: influïx en la rotació de les galàxies, desvia la llum i condiciona l'estructura a gran escala del cosmos. S'estima que representa prop del 85 % del total de la matèria.
Encara que s'ha intentat detectar-la durant dècades, les seues partícules seguixen sense identificar-se. La majoria de teories proposa que estan formades per WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), que a penes interactuen amb la matèria normal. Esta naturalesa esmunyedissa ha portat a explorar diferents estratègies per a analitzar-les: produir-les en colisionadors, captar-les en detectors subterranis o buscar senyals indirectes en l'espai.
La busca no ha donat resultats concloents, per la qual cosa es necessiten noves idees i tecnologies més sensibles. Els models que prediuen partícules com el Higgsino, com l'explorat en un estudi coliderat per l'investigador José Zurita, de l'Institut de Física Corpuscular (IFIC), situat en l'àrea científic-acadèmica del Parc Científic de la Universitat de València (PCUV) i centre mixt del CSIC i la Universitat de València, oferixen vies prometedores per a detectar eixos subtils senyals que podrien revelar la naturalesa de la matèria fosca.
Un dels grans reptes en la busca de matèria fosca és que, si realment està formada per partícules com el Higgsino, predita per algunes extensions teòriques del Model Estàndard de la física de partícules, els seus senyals en els detectors que existixen en l'actualitat serien extremadament tènues, fins al punt de passar desapercebudes en els experiments actuals.
En alguns models teòrics es planteja l'existència de diverses partícules dins de l'anomenat “sector fosc”, una espècie d'univers paral·lel les components del qual interactuen molt feblement amb la matèria coneguda. Estes partícules podrien estar relacionades entre si mitjançant forces pròpies, distintes de les del món visible.
Una característica comuna en estos escenaris és que les partícules fosques tindrien masses molt similars entre si, la qual cosa complica la seua detecció. Quan una d'elles, lleugerament més pesada, es desintegra en una altra més estable, possible candidata a matèria fosca, només allibera una quantitat mínima d'energia, sovint en forma d'una traça tènue o d'una partícula lleugera com un pió.
“El pure Higgsino ha sigut considerat tradicionalment com un objectiu per a futurs acceleradors, com el Future Circular Collider (FCC-hh) o un colisionador de muons. En els dos casos, s'espera que esta partícula es manifeste com una traça carregada que desapareix sobtadament en desintegrar-se en una partícula neutra, el neutralino, i un pió de baixa energia, que normalment es descarta”, José Zurita, investigador de l'IFIC
Eixe tipus de senyal és tan feble que, en colisionadors actuals com el Gran Colisionador d'Hadrons (LHC), del CERN, sol perdre's entre el “soroll” d'altres interaccions, ja que els pions solen ser productes secundaris comuns en col·lisions de partícules més pesades. En este context, no obstant això, poden ser una de les poques petjades visibles que delaten l'existència del sector fosc. Per això, detectar pions de baixa energia, encara que complex, pot ser clau per a descobrir noves partícules i avançar en la busca de la matèria fosca.
El nou treball coliderat per l'IFIC proposa un enfocament innovador: aprofitar les condicions més netes i controlades d'un possible colisionador de muons, una infraestructura encara en fase de disseny, però que guanya cada vegada més suport i entusiasme dins de la comunitat internacional. Este tipus de colisionador permetria registrar amb major precisió eixos rastres febles que hui resulten invisibles.
“El pure Higgsino ha sigut considerat tradicionalment com un objectiu per a futurs acceleradors, com el Future Circular Collider (FCC-hh) o un colisionador de muons. En els dos casos, s'espera que esta partícula es manifeste com una traça carregada que desapareix sobtadament en desintegrar-se en una partícula neutra, el neutralino, i un pió de baixa energia, que normalment es descarta”, explica Zurita.
Esta busca del Higgsino té un gran interés perquè podria confirmar un escenari teòric capaç de donar compte de la matèria fosca. En particular, el neutralino, partícula molt estable i amb una interacció molt feble amb la matèria ordinària, podria ser un dels ingredients, si no l'únic, de la matèria fosca que copa l'univers
Així, els investigadors han demostrat que és possible abordar l'existència del Higgsino mitjançant l'anàlisi dels productes de la seua possible desintegració. En particular, una de les partícules involucrades en el procés, el chargino, es desintegraria en un neutralino més un pió de baixa energia. Són estos pions de baixa energia els que deixen unes “soft tracks” o “traces tènues” que podrien ser detectats en els colisionadors de muons, més sensibles a partícules de tan baixa energia.
Esta busca del Higgsino té un gran interés perquè podria confirmar un escenari teòric capaç de donar compte de la matèria fosca. En particular, el neutralino, partícula molt estable i amb una interacció molt feble amb la matèria ordinària, podria ser un dels ingredients, si no l'únic, de la matèria fosca que copa l'univers.
Encara que la proposta depén del desenrotllament futur de detectors d'alta sensibilitat, obri una via realista per a explorar regions de l'univers subatòmic que han romàs fora de l'abast experimental. A més, enfortix el cas científic per a apostar pels colisionadors de muons com a ferramenta clau en la física de partícules del futur.
El treball no sols obri una via realista per a detectar matèria fosca, sinó que també reforça el cas científic per a construir nous colisionadors de partícules, com el proposat colisionador de muons, una infraestructura que guanya impuls entre les prioritats de la comunitat internacional.
En els últims anys, la possibilitat de construir un colisionador de muons ha passat de ser una idea teòrica a convertir-se en una de les opcions més estudiades per al futur de la física d'altes energies. El seu principal atractiu radica en el fet que els muons, a l'ésser unes 200 vegades més pesats que els electrons, poden aconseguir energies molt altes sense emetre tanta radiació com estos, la qual cosa permetria construir acceleradors més compactes que els colisionadors d'electrons i positrons, i més nets que els colisionadors de protons, com el LHC. Este entorn més controlat seria ideal per a buscar senyals subtils, com les que produiria la matèria fosca.
Organismes com el Panell de Priorització de Projectes de Física de Partícules dels EUA (P5) ja han reconegut recentment el potencial estratègic d'esta tecnologia. A més, la creació de la Muó Collider Collaboration, una xarxa internacional de centres d'investigació i experts en acceleradors, marca l'inici d'un programa ambiciós per a avaluar la seua viabilitat tècnica i científiques.
"La implementació del colisionador seria clau no sols per a la busca de matèria fosca, sinó per a altres misteris actuals com l'origen de la massa dels neutrins, o el mesurament precís de les propietats del bosó de Higgs, l'asimetria entre matèria i antimatèria…", José Zurita, investigador de l'IFIC
En este context, treballs com el liderat per l'IFIC resulten fonamentals, ja que no sols proposen mètodes concrets per a aprofitar les capacitats úniques d'estos colisionadors, sinó que també aporten objectius clars i mesurables per a orientar el seu desenrotllament. La seua implementació seria clau “no sols per a la busca de matèria fosca, sinó per a altres misteris actuals com l'origen de la massa dels neutrins, o el mesurament precís de les propietats del bosó de Higgs, l'asimetria entre matèria i antimatèria…”, explica Zurita, qui, per tot això, advoca per fer el salt a esta nova generació de colisionadors.
El treball ha sigut realitzat per un equip internacional que combina experiència en teoria i fenomenologia de partícules: José Zurita (IFIC), Federico Meloni (DESY, Alemanya) i Rodolfo Capdevilla (Fermilab, els Estats Units). L'estudi, publicat en la revista Physical Review Letters, proposa el mètode innovador que ací es detalla per a identificar senyals extremadament febles en uns certs models teòrics de matèria fosca. La proposta és fruit d'una línia d'investigació que explora senyals difícils de detectar, però amb gran potencial per a revelar la naturalesa de la matèria fosca.
Font: IFIC