La entidades oscuras E-Book

Cristiano Galbiati

• Herausgeber: Ediciones Akal
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Astronomía
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2020

Seitenzahl: 246

Beschreibung

"La materia oscura es el gran enigma de la ciencia del siglo xxi. Si le preguntas a un físico: "¿Qué queda por descubrir, ahora que también se ha encontrado el bosón de Higgs?", casi seguro que responderá: "prácticamente todo". Sí, porque la materia ordinaria representa solo el 5 por ciento de nuestro universo. El resto consistiría en energía oscura y materia oscura, que representaría casi el 90 por ciento de la masa total. Por cada gramo de materia ordinaria, habría, en algún lugar a nuestro alrededor, 9 de materia oscura. Aun así, algunos científicos afirman que no existe. O más bien, que no hay necesidad de hipotetizar su existencia para explicar las anomalías que se observan en la rotación de las Galaxias. Quienes llegan a esta conclusión se atreven a desafiar uno de los pilares de la física moderna: la relatividad general de Einstein. Cristiano Galbiati, que enseña física en Princeton y coordina el experimento DarkSide en los laboratorios Gran Sasso, sabe que la materia oscura es uno de los secretos más misteriosos y fascinantes de la naturaleza, celosamente guardado y aún por descifrar. "Si es cierto que nuestra Galaxia está inmersa en un aura de materia oscura", dice Galbiati, "la Tierra en rotación alrededor del Sol, que a su vez gira alrededor del Centro Galáctico, debería ser golpeada por un viento de ""partículas oscuras"": aproximadamente 100 000 cruzarían una superficie igual a la de un clavo cada segundo. Entonces, ¿por qué no tratar de interceptarlos?" En la búsqueda de materia oscura, en una competencia cerrada, trabajan grupos de físicos, astrofísicos, cosmólogos, profesionales y aficionados, experimentales y teóricos, científicos y filósofos. Todos impulsados por la imparable ambición de contribuir a un paso fundamental en el desarrollo de la ciencia: comprender y definir la naturaleza de la materia oscura cambiará la percepción del universo en el que vivimos."

Leseprobe

Akal / Astronomía

Cristiano Galbiati

Las entidades oscuras

Viaje a los límites del universo

Traducción de: Juan González-Castelao Martínez-Peñuela

La materia oscura y la energía son el gran enigma de la física del siglo XXI, y mientras sigan siéndolo, del universo conoceremos solo una porción muy pequeña y nada se sabrá de su origen y su destino inevitable. Por este motivo, en este campo de la investigación, los grupos de físicos, astrofísicos y cosmólogos, profesionales y aficionados, experimentadores y teóricos, científicos y filósofos se miden en una competencia apretada, todo ello impulsado por la ambición imparable de contribuir a dar un paso decisivo en el desarrollo del conocimiento. Eso sacudiría desde sus cimientos no solo la ciencia, sino la idea que tenemos del ser humano y su lugar en el cosmos. Cristiano Galbiati, profesor de física de Princeton que coordina el experimento DarkSide en los laboratorios italianos de Gran Sasso, es uno de los protagonistas de esta investigación y sabe que la materia y la energía oscuras son los secretos más misteriosos y fascinantes de la naturaleza, celosamente custodiados y aún por descifrar, pero que envían señales inequívocas, dejando siempre nuevos rastros de su existencia. Según sus palabras: «Una serie de observaciones del universo ha rasgado el fino velo que cubría el infinito. A partir de estos desgarrones discontinuos e irregulares, hace su aparición –rápida, fugaz, momentánea e inmediatamente arrepentida–, un mundo ines­perado: tan inesperado que despierta tanta confusión como asombro». En este mundo misterioso se encuentra el secreto que recorre estas páginas en un viaje sin retorno que pretende descubrir la realidad del universo.

Colección: Akal Astronomía

Director de colección: David Galadí-Enríquez

Diseño de portada

RAG

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Nota editorial:

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Nota a la edición digital:

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Imagen de cubierta: Simulación por ordenador de un agujero negro supermasivo en el núcleo de una galaxia. Crédito: NASA, ESA y D. Coe; J. Anderson y R. van der Marel (STCcl).

Revisión científica: David Galadí-Enríquez

Título original: Le entità oscure. Viaggio ai limiti dell’Universo

© Giangiacomo Feltrinelli Editore Milano Primera edición en la serie «Varia»: agosto 2018

© Ediciones Akal, S. A., 2020 para lengua española

Sector Foresta, 1

28760 Tres Cantos

Madrid - España

Tel.: [phone]

Fax: [phone]

www.akal.com

ISBN: 978-84-460-4980-7

A Anto, Asca y Ade

Vi las costas del mar hasta la España,

en Marruecos, y en la isla de los sardos,

y las comarcas que en contorno baña.

Mis compañeros, viejos y ya tardos,

cual yo también, llegamos al Estrecho

donde Hércules plantó firmes resguardos,

para marcar al hombre fatal trecho;

Ceuta dejé de un lado a la partida,

y Sevilla quedó por el derecho[1].

Dante, El infierno, canto XXVI, 103-111

[1] Traducción tomada de La Divina Comedia de Dante Alighieri en verso castellano de Bartolomé Mitre, Buenos Aires, Centro Cultural Latinum, 1922, p. 153. [N. del T.]

Advertencia

Los protagonistas de este libro son las entidades oscuras que dominan el universo. Las fuerzas y las sustancias que liberan han dado forma a su evolución desde su nacimiento. El efecto de su presencia puede medirse y verificarse en todos los rincones del universo. Es francamente impensable que, hoy en día, su esencia no sea conocida ya completamente por civilizaciones avanzadas desarrolladas en otras galaxias. En la Tierra apenas acaba de dar comienzo nuestra exploración de estas entidades oscuras. Cualquier referencia directa a nombres, personas y asociaciones, o a hechos que realmente sucedieron en el planeta en el curso de esta exploración, en tanto que puramente accidentales, si no muchas veces casuales, ha sido eliminada de la narración.

BAJO EL VELO

Llámanos como te apetezca. Hasta ahora hemos estado ocultas. Nuestro nombre no se conoce. Ni siquiera se habla de él. Escojas el que escojas, no lo va a ser.

La sorpresa viene de lejos. De muy, muy lejos. Más allá de los confines del Sistema Solar. Superado el límite de la Galaxia. Pasada la galaxia de Andrómeda, más allá del anillo del Unicornio, después de los límites del Grupo Local, cruzando luego los primeros cúmulos de galaxias para aventurarse y adentrarse cada vez más en el espacio profundo. Primero, distancias infinitas cubiertas de gases rarificados. Luego, mundos nuevos y muy lejanos. Los manantiales de galaxias, las fraguas de estrellas, las fuentes de una energía inagotable: allí donde empezamos un día a mirar y ahora ya no podemos parar.

Una serie de observaciones del universo a escala cosmológica, realizadas con herramientas viejas y nuevas, ha rasgado el fino velo que cubría el infinito. A partir de estos desgarrones discontinuos e irregulares hace su aparición –rápida, fugaz, mo­mentánea e inmediatamente arrepentida– un mundo inesperado: tan inesperado que despierta tanta confusión como asombro.

Todo comienza en los años treinta del siglo pasado. Un astrónomo suizo apunta sus telescopios a los cúmulos, grandes cuerpos celestes compuestos de miles de galaxias; cada galaxia contiene a su vez miles de millones de estrellas. Mide por primera vez la velocidad de rotación con respecto al centro de gravedad. Espera encontrar la correspondencia exacta entre la velocidad y la luminosidad del cúmulo, que debería corresponderse con su masa, es decir, con la fuente de la gravedad que mantiene en órbita las galaxias. Es lo que pasa con la Tierra y los otros planetas del Sistema Solar: la fuerza gravitatoria que curva su trayectoria en una órbita elíptica se debe a la masa del Sol, y la velocidad orbital de los planetas está dictada por la atracción que ejerce aquel. Para una galaxia de la periferia del cúmulo se espera que la fuerza de la gravedad provenga de la masa de todas las galaxias que se encuentran dentro del radio de su órbita. Se puede estimar con facilidad esta masa midiendo la luz producida por las galaxias dentro de la órbita.

El astrónomo se da cuenta inmediatamente de que hay algo que no tiene sentido. Hay una gran discrepancia: la masa es completamente insuficiente para justificar la elevada velocidad del cúmulo. La fuerza de la gravedad que curva la órbita de las galaxias es mucho más fuerte de lo que pueda justificar razonablemente la masa.

Se da cuenta de que hay algo distinto, no reconocido u oculto en el centro del cúmulo. Algo no visto. Una fuente de fuerza de gravedad que escapa no solo al ojo del ser humano, sino también a sus instrumentos más precisos. Una materia pesada pero invisible que, a diferencia del material de la que estamos hechos, no contribuye a formar las estrellas, y que, por lo tanto, no es y nunca va a ser fuente de luz, sino única y exclusivamente de gravedad.

Es la materia oscura, que por primera vez, de manera indirecta, muestra a la humanidad los efectos de su poderosa presencia. Siguen años tormentosos para la física. Los trastornos comienzan por lo infinitamente pequeño y llegan a afectar de forma importante a los acontecimientos más dramáticos del siglo pasado, influyendo incluso en el equilibrio entre los Estados y enrigideciendo el nuevo orden internacional.

De hecho, lo que sucede es que el núcleo del átomo revela de repente, y en el momento más inoportuno, su poder infinito: la masa de las partículas se convierte en energía, y a la inversa, con efectos de una fuerza inimaginable hasta poco antes. El descubrimiento en Roma de la propagación y multiplicación en cadena de los neutrones lentos ofrece un medio extraordinario para modificar la materia: ¡en el laboratorio se consigue la transformación de los átomos de una especie química en una especie distinta! Gracias a los neutrones lentos se cumple la profecía de los alquimistas.

Los mejores físicos intuyen de inmediato el enorme potencial de la multiplicación en cadena de los neutrones: contener o desencadenar la infinita energía del núcleo. Muy poco después la mayor parte de ellos huye en masa de la quema de Europa y se dirige a América. En poco tiempo, bajo las gradas del estadio de la Universidad de Chicago, nace la primera pila nuclear: un enjambre controlado de neutrones lentos desata la cadena de reacciones nucleares que transforma una fracción muy pequeña de materia en una abundante fuente de energía. Una vez más, es un navegante italiano que llega al Nuevo Mundo.

Mientras tanto, fuera de los laboratorios, una Segunda Guerra Mundial sacude el mundo entero. El potencial bélico de la nueva forma de energía puede ser la mejor baza para la resolución de conflictos. Se desencadena una carrera frenética por la producción de bombas que aprovechen la energía devastadora del núcleo. En las montañas de Nuevo México se levanta una ciudadela secreta: allí, en un par de años, se consigue llevar a término el proyecto de investigación militar más ambicioso jamás concebido. Las dos primeras bombas atómicas irrumpen en el escenario de la guerra. Rápidamente acaban poniendo a esta su límite último y definitivo.

Al terminar el conflicto, la física nuclear se convierte en un instrumento estratégico para el establecimiento del nuevo orden mundial. El control y la disponibilidad de la tecnología determinan el estatus de potencia internacional. Ya no es el número de divisiones de infantería, sino el de armas nucleares, el que define la potencia bélica de los bloques enfrentados. El potencial destructor de la nueva tecnología es tan devastador que los límites y las relaciones de fuerza entre los bloques, una vez conformados, van a permanecer fijos durante más de medio siglo.

Entretanto, por geminación, nace y florece de la física nuclear el estudio de las partículas subatómicas. Los físicos, no interesados ya en el desarrollo de tecnologías nucleares, se dedican entonces a construir aceleradores cada vez más potentes: enormes máquinas que, por medio de las colisiones entre partículas aceleradas hasta rayar la velocidad de la luz, prometen revelar la identidad de los elementos primigenios e infinitesimales del cosmos. Las energías en juego se vuelven cada vez más grandes y, con su aumento, repentino y sin descanso, se revelan mundos desconocidos y fenómenos nunca observados hasta la fecha.

Las nuevas partículas producidas por los aceleradores, exóticas y fascinantes, tienen una vida demasiado breve como para encontrar aplicaciones en el campo energético o militar. De este modo, lo que antes había dividido, ahora une. Disminuido el interés por la guerra, florece espontáneamente la colaboración entre instituciones internacionales. En esos fervientes años, el progreso científico no conoce descanso. La energía puesta a disposición de las máquinas aceleradoras aumenta paso a paso. Se crean nuevos laboratorios, se funden y se cierran a un ritmo frenético. Resultados científicos importantísimos se suceden a un ritmo abrumador. La física de las partículas fundamentales se convierte en la nueva frontera del saber. Una impresionante serie de descubrimientos permite definir con precisión extrema las leyes que regulan los elementos infinitesimales del cosmos y sus complejas interacciones.

Así pues, desde hace varias décadas, el estudio de la física de partículas es la verdadera fragua de la ciencia e incluso el foco del desarrollo tecnológico: todo parece girar en torno a ella.

La materia oscura, apenas vislumbrada hace unas pocas décadas, vuelve a esconderse bajo del velo que la ha protegido desde su nacimiento, allí donde le hace siniestra compañía otra entidad oscura. Misteriosas y desconocidas, como deidades ctónicas, sostienen entre los dedos los carretes de los hilos que dirigen el destino del universo entero.

Como coordinados por un ser superior, los bordes de los desgarros a partir de los cuales se había revelado el lado oscuro del universo vuelven a aproximarse y se vuelven a juntar. Por encima del velo se calma el viento y se detienen las ondas del tejido. La atención del ser humano está dirigida por ahora a otra parte, su mirada en una dirección completamente distinta.

Mientras tanto, el mundo desconocido para nosotros está en constante evolución. Los hilos, nunca fijos y quietos en los carretes, en continuo aunque lento movimiento, con su juego de tensiones y relajaciones, modifican eternamente la estructura del universo.

Pero, de repente, el velo que nos separa del lado oscuro va a ser desgarrado por segunda vez. Esta vez va a ser para siempre. En ese momento vamos a encontrarnos con el universo ya distinto de como ha sido antes, y lo vamos a reconocer inmerso en su eterno y oscuro devenir.

Ahora ya no puede demorarse mucho la rendición de cuentas. La evolución tecnológica del siglo pasado ha permitido la construcción de telescopios cada vez más potentes, capaces de captar luces e incluso ondas gravitatorias procedentes de la mayoría de los rincones más recónditos del universo. En la década en torno al cambio de siglo, precisamente mientras la progresión geométrica de la energía de los aceleradores marca el ritmo, el avance de la tecnología desencadena una nueva revolución. Transcurren algunos años y la representación de las entidades que dominan lo infinitamente grande acaba trastocada de manera completa.

Nada volverá a ser lo que era antes. La caza de las deidades ctónicas acaba de comenzar. Nadie puede predecir cuándo se cantarán los poemas sobre las hazañas de los cazadores.

I DE LAS PARTES DEL CIELO

1. La materia

Lo que está en juego

Está pero no se ve. Como la niebla en Milán de Totó y Pepino. Es la materia oscura, uno de los misterios más fascinantes de la naturaleza, celosamente guardado y aún por descifrar. ¿Será suficiente el resto del siglo XXI? ¿O llegará mucho antes la solución? ¿O quizá sean nuestros bisnietos quienes nos revelen su secreto?

Sea cual sea el camino y su final, una cosa sí es cierta: la materia oscura es y va a ser el coto de caza preferido de los científicos en las próximas décadas. Aquí, en fuerte competencia, se van a medir los grupos de físicos, astrofísicos, cosmólogos, profesionales y aficionados, experimentales y teóricos, científicos y filósofos. Todos impulsados por la imparable ambición de ser los primeros en llegar a descubrir el misterio, conocer y revelar lo que hoy se desconoce, escribir uno de los capítulos más importantes de la ciencia y, por qué no, dejar esculpida para siempre su fama en el tiempo.

¿Por qué es tanto lo que está en juego? No podría ser de otro modo: la comprensión de la naturaleza y de las leyes físicas de la materia oscura va a cambiar la percepción del universo en el que vivimos, va a modificar los límites de los elementos fundamentales de la materia y de los campos de fuerza y va a fijar nuevas Columnas de Hércules que limiten el mundo conocido en los siglos venideros. Aquí se está haciendo la historia de la ciencia. Aquí va a formar la humanidad una nueva cosmogonía y la hará repensarse a sí misma en el universo.

En este momento tenemos que hacernos una pregunta esencial: ¿cómo hemos llegado hasta aquí? ¿Cómo es posible que la materia oscura, que ha sido ya objeto de un descubrimiento inicial que se ha ratificado como firme, que ha sobrevivido a la dura prueba que de un gran número de experimentos, esconda todavía, aún hoy, su naturaleza más íntima en el misterio más absoluto?

Por todo esto es necesario dar no uno, sino varios pasos atrás. Es necesario remontarse cien años en el tiempo.

Años treinta del siglo XX

Como hemos visto, un astrofísico suizo se da cuenta de algo que no tiene sentido en los cúmulos de galaxias. La velocidad orbital de las galaxias es demasiado alta. La idea revolucionaria nace como un primer intento desesperado de volver a poner las «piezas» en su sitio. Debe existir una materia oscura, no luminosa, que proporcione la mayor parte de la masa inerte, para poder justificar la fuerza de la gravedad que mantiene unidos los cúmulos, evitando que se dispersen en el espacio.

Interludio

En los cuarenta años siguientes a la primera aparición de la materia oscura nadie la tomó demasiado en serio. Eran los años del advenimiento de la física nuclear y la bomba atómica; luego, a continuación, los de la física subnuclear y del triunfo de los aceleradores en la exploración de las partículas fundamentales: ¿por qué preocuparse por algo tan lejano y recóndito, cuando la exploración de lo infinitamente pequeño ofrece horizontes ilimitados para nuevos descubrimientos? Además, estos horizontes están directamente al alcance de la mano, accesibles mediante máquinas aceleradoras construidas en el laboratorio, fácilmente controlables, verificables todos sus engranajes, reproducibles. El progreso tecnológico es tal que se puede disponer de energías cada vez más altas con una regularidad temporal extrema, creando así partículas cada vez más pesadas. El horizonte de exploración avanza sin descanso, como en una carrera hacia el oeste en la pradera ilimitada.

Las nuevas máquinas están generando mundos nuevos. Son los años en los que la física de partículas atrae a los mejores talentos de las cuatro esquinas del planeta. Son también los años en los que todo lo que no coincide estrictamente con la investigación en las máquinas aceleradoras es despreciado a veces como tema de investigación de segunda. En un primer momento se confunde la cosmología con la astrología, y es prohibida a veces en los programas de estudio oficiales. Incluso los físicos y astrofísicos que participan en el estudio de las reacciones de física nuclear que suministran toda la energía del Sol son vistos con desconfianza.

Años sesenta del siglo XX

Avance rápido, hasta los años sesenta, en la primera medición de los neutrinos solares. Detengámonos por un momento para entender bien de qué se trata. La energía radiante del Sol es generada por reacciones nucleares que tienen lugar en su núcleo. La densidad de la materia en el núcleo del Sol es tan grande que ralentiza las partículas de luz, los fotones, que se propagan hacia la superficie muy lentamente debido a las continuas colisiones con los electrones. Se necesitan entre diez y cien mil años para que los fotones generados en el núcleo lleguen a la superficie del Sol. Las únicas partículas producidas por las reacciones nucleares que logran escapar del núcleo en tiempo real son los neutrinos. Los neutrinos son partículas fascinantes y de propiedades únicas, en la actualidad todavía inexploradas en gran parte y objeto de estudios en profundidad. Sus interacciones son tan débiles que no se ven detenidas por la materia densa en el núcleo. Se propagan en el Sol y en el espacio interplanetario a una velocidad cercana a la de la luz, y en solo ocho minutos llegan a la Tierra, como únicos mensajeros directos y en tiempo real de las reacciones de fusión que tienen lugar en el núcleo del Sol.

A finales de los años sesenta, la primera medición de los neutrinos solares da como resultado una fuerte contradicción con el flujo de neutrinos esperado. Se espera un flujo bien definido que se corresponda con la medición altamente precisa de la energía irradiada por el Sol, pero algo no sale bien: más de dos tercios de los neutrinos faltan en el recuento. Esta discrepancia, que lleva el nombre de «problema de los neutrinos solares», es despreciada por la mayor parte de la comunidad de físicos de partículas, teóricos y experimentales: ¡según ellos, lo más seguro es que hayan contado mal o que haya algún problema con la técnica experimental! Es el tipo de actitud que nos da, más que ninguna otra, la señal de que en esos años ninguna otra disciplina, aparte de la física de los aceleradores, parezca digna de la más alta consideración. Sin embargo, poco después, la historia y la física decretarán un resultado dramáticamente diferente: se confirmará el problema de los neutrinos solares y, finalmente, se acabará abriendo las puertas a un nuevo y sensacional descubrimiento. Pero esta es otra historia que merece ser contada por separado, y a la cual volveremos enseguida.

Años setenta del siglo XX

Estamos en los años setenta, época en la que una astrofísica se da cuenta de que algo no cuadra incluso en las propias galaxias. El examen requiere la medición individual detallada de la velocidad de las estrellas, por separado. El resultado vuelve a ser sorprendente: inesperadamente, la velocidad orbital de las estrellas es demasiado alta hasta en esta escala más pequeña. La masa central en el seno de la órbita de las estrellas periféricas es insuficiente para justificar la fuerza de la gravedad que mantiene unida la galaxia y evita que las estrellas acaben fuera de órbita. Todas las galaxias sometidas a examen señalan en la misma dirección: es necesario hipotetizar una materia distinta de la materia ordinaria, una nueva materia que no contribuya a la formación de estrellas, sino que sea la fuente de la gravedad que mantiene unidas a las galaxias. Una materia oscura.

¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura?

Las características de la materia oscura, redescubierta por fin, desafían los fundamentos de las leyes establecidas de la física de partículas. De hecho, la materia oscura no entra en absoluto en los rígidos cánones del esquema de clasificación de la materia ordinaria desarrollado durante el siglo XX, hoy universalmente aceptado y más conocido como modelo estándar de las partículas elementales.

Vamos a ver rápidamente en qué consiste.

El modelo estándar establece que la materia está constituida por dos bloques fundamentales: partículas ligeras (los leptones; del griego λεπτός, ligero); y partículas pesadas (los bariones; del griego βαρύς, pesado). Mientras los leptones son partículas realmente fundamentales, los bariones no lo son: son el resultado del ensamblaje de otras partículas igualmente fundamentales como los leptones, los cuarks, que están dotados de carga fraccionaria, es decir, una carga igual a una fracción de la carga de los electrones. A diferencia de los leptones, los cuarks no lo se encuentran libres en la naturaleza más que en los instantes infinitesimales que siguen a las colisiones de partículas de energía muy alta. Los cuarks se unen siempre entre ellos, en grupos de dos, tres o más, y al igual que los pequeños ladrillos de un juego de construcción se acoplan para formar bloques unitarios fácilmente reconocibles (los bariones) como unidades compactas y casi indisolubles.

El modelo estándar también establece que las fuerzas entre las partículas de materia son transmitidas por otras partículas especiales: los bosones. El bosón más simple es el fotón, que es el portador de la fuerza electromagnética y la partícula que constituye la luz. La fuerza que mantiene los cuarks cohesionados y compactos para formar bariones es mucho más intensa, y no es casualidad que se conozca como fuerza nuclear fuerte. La partícula que se intercambia entre los cuarks para transmitir la fuerza nuclear fuerte es el gluón. Hay otra fuerza que afecta a todas las partículas fundamentales, tanto leptones como cuarks, que es la fuerza nuclear débil, que resulta del intercambio de bosones pesados, el bosón Z0 y los bosones W+ y W-.

La fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil son, en realidad, dos aspectos de una sola fuerza compleja, la fuerza electrodébil, que se aplica por igual a todas las partículas fundamentales, es decir, tanto a los leptones como a los cuarks. En cambio, la fuerza nuclear fuerte se aplica única y exclusivamente a los cuarks.

Entre los leptones, la partícula más familiar y conocida es el electrón, con carga eléctrica -1. Las otras dos son las partículas μ, o muones, y τ, o tauones, dotadas también de carga -1, que en realidad se comportan como electrones más pesados; a diferencia del electrón, son inestables, es decir, que muy poco después de su creación se desintegran, mueren, dejando en su lugar partículas más ligeras y más estables.

Tres neutrinos completan el cuadro de los leptones, dotados de carga eléctrica cero (0), uno por cada uno de los tres leptones cargados: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico. A diferencia del electrón y sus dos compañeros más pesados, la ausencia de carga eléctrica de los neutrinos limita sus interacciones exclusivamente a aquellas reguladas por la fuerza débil, y esto las hace extremadamente difíciles de estudiar. ¡Pensad que las interacciones de un neutrino son tan evanescentes que para detenerlo se necesitaría un muro de plomo con las dimensiones del universo entero!

Los cuarks son los ladrillos o piezas con los que se construyen los bariones. Hay seis tipos de cuarks, partículas fundamentales con carga fraccionaria que forman los bariones: los tres cuarks con carga +2/3, que son u (de «up», o arriba, en inglés), c (de «charm», o encantado) y t (de «top», o cima); y los tres cuarks con carga -1/3, que son d (de «down», o abajo), s (de «strange», o extraño) y b (de «bottom», o fondo). Los cuarks no pueden existir como partículas aisladas excepto en los breves momentos en que se dan colisiones a energías muy altas; existen de forma estable solo en combinaciones de dos o más cuarks, con carga total agregada entera. Por ejemplo, la combinación uud, con carga +1, no es otra cosa que el protón, mientras que la combinación udd, con carga 0, no es más que el neutrón.

Los protones y los neutrones están entre los bariones más ligeros. Los protones, al igual que los electrones, son partículas estables en el tiempo, y no se ha observado nunca su descomposición en partículas más ligeras. Por el contrario, los neutrones aislados no son estables y acaban desintegrándose al cabo de pocos minutos, liberando un protón (carga +1), un electrón (carga -1) y un neutrino (carga 0). A pesar de no ser estables cuando se encuentran aislados, los neutrones pueden existir en una forma estable en el interior de los núcleos atómicos, que no son más que combinaciones de un número diverso de protones y neutrones; en estas combinaciones, la desintegración de los neutrones puede ser inhibida por leyes de conservación de energía. Los neutrones también pueden existir en forma estable dentro de conglomerados muy grandes, conocidos como estrellas de neutrones. Las estrellas de neutrones representan uno de los posibles estadios finales de la vida de estrellas muy pesadas, con una masa igual a al menos diez veces la del Sol, que tras el agotamiento del combustible nuclear se colapsan para formar un núcleo denso de material neutro. Incluso en el caso de las estrellas de neutrones, que podemos imaginar como un gigantesco núcleo atómico, el decaimiento de los neutrones se ve inhibido por leyes de conservación.

Protones, neutrones y electrones constituyen todas las formas de materia conocidas en la Tierra. Su forma fundamental de agregación es el átomo: cada átomo está compuesto por un núcleo atómico, un agregado de protones (cuyo número se indica mediante la variable Z, número atómico) y los neutrones (cuyo número es A-Z, donde A, el número másico, es igual al número total de neutrones y protones). Alrededor del número atómico, que tiene carga total +Z, los electrones Z giran con carga total -Z, formando así una estructura con carga eléctrica total cero. Los átomos se agregan en moléculas, que a su vez se agregan a través de enlaces químicos –fuerzas de naturaleza electromagnética entre los electrones más externos que orbitan alrededor del núcleo– para formar todos los cuerpos que conocemos.

Otra forma de materia

La materia oscura, sin embargo, es completamente distinta. No está formada por combinaciones de protones, neutrones y electrones ni puede estarlo: de lo contrario, no habría ninguna razón por la que esta forma de materia no debiese contribuir a la formación de estrellas y no fuese detectada por los instrumentos tradicionales. En su lugar, debe estar compuesta por una forma de materia que se salga completamente de los cánones esta­blecidos. De hecho, la materia oscura no contribuye a la formación de estructuras macroscópicas y complejas: por lo tanto, las interacciones de la materia oscura consigo misma y con la materia que conocemos deben ser necesariamente muy débiles.

Al mismo tiempo, esta nueva materia debe ser también muy pesada y estar sujeta a la ley de la gravedad, dado que actúa como fuente de la mayor parte de la fuerza gravitatoria que mantiene unidas a las galaxias y los cúmulos.

Aparte de esto, también debe ser lenta: si la materia oscura viajase a la velocidad de la luz, aun siendo pesada, no podría haber realizado la función de centro de gravedad permanente, necesaria para la formación de los cúmulos y de las galaxias en los albores del universo.

Además, la materia oscura no puede tener carga eléctrica. De hecho, si la tuviese podría generar luz y sus interacciones con la materia ordinaria serían fácilmente visibles. En resumen: de haber sido lenta y haber tenido carga eléctrica, la materia oscura no habría sido tan oscura y ya habría sido descubierta hace bastante tiempo.

Por último, la materia oscura debe ser estable en el tiempo, igual que los protones y los electrones, e incluso los neutrones, cuando están incrustados en complejos núcleos atómicos. Al igual que la materia que conocemos, se supone de hecho que la materia oscura se generó también en los albores del universo, en los procesos de energía muy alta siguientes a los primeros momentos posteriores a la Gran Explosión (o Big Bang), el acontecimiento del que nace el espacio-tiempo. Desde entonces han pasado miles de millones de años y esta nueva materia ha sobrevivido durante todo este larguísimo periodo de tiempo, hasta el punto de hacer sentir los poderosos efectos de su presencia incluso en la actualidad. Por ello, al igual que los electrones y los protones, la materia oscura debe ser una forma muy elemental de materia, estable en el tiempo, no proclive a desintegrarse y descomponerse a su vez en formas de materia más simples, elementales y más estables.