¿Podrían los rayos extrañamente rectos ser un signo de materia oscura? | Ciencias

Durante décadas, los astrónomos y físicos han estado desconcertados por el misterio de la materia oscura, gastando miles de millones de dólares en detectores sofisticados para buscar las elusivas partículas que se cree que representan alrededor del 85 por ciento de la materia en el universo. Hasta ahora, esas búsquedas han resultado vacías. Ahora, un equipo de científicos ha propuesto una estrategia muy diferente para buscar signos de materia oscura, no mediante laboratorios de física de partículas, sino examinando el aire sobre nosotros. Si estudiamos cuidadosamente los destellos que se ven en las tormentas eléctricas ordinarias, argumentan, podríamos encontrar evidencia de trozos súper densos de materia oscura a medida que atraviesan nuestra atmósfera. Creen que estos veloces trozos de materia oscura, conocidos como “macros”, activarían relámpagos perfectamente rectos, que nunca han sido documentados.

El caso de la materia oscura se ha desarrollado desde la década de 1930, cuando los astrónomos notaron por primera vez que las galaxias se mueven como si contuvieran más materia de la que realmente podemos ver con nuestros telescopios; como resultado, los investigadores creen que debe haber una gran cantidad de materia invisible junto con la materia ordinaria y visible.

La teoría principal es que la materia oscura está formada por partículas elementales, quizás creadas hace unos 14 mil millones de años en el momento del Big Bang. Estos objetos hipotéticos se denominan “partículas masivas de interacción débil” o WIMP. Las búsquedas típicas de WIMP emplean enormes cubas de un líquido ultradenso como el xenón; Si una partícula de materia oscura golpea el líquido, los físicos deberían poder ver la radiación emitida por los núcleos atómicos cuando se alejan de las colisiones con los WIMP. Pero numerosos experimentos de este tipo no han encontrado nada hasta ahora, lo que lleva a algunos científicos a preguntarse si la materia oscura puede estar hecha de otra cosa. Las macros son una de las varias alternativas a WIMPS que se han presentado. La idea es que la materia oscura, en lugar de estar compuesta de partículas elementales, en realidad está formada por grupos macroscópicos de materia. Estos grupos pueden pesar unas pocas onzas, quizás el peso de una pelota de golf. Sin embargo, debido a su densidad extrema (varios cientos de libras por pulgada cúbica), toda esa masa estaría empaquetada en un espacio del tamaño de una bacteria. Pero, lo que es más importante, es poco probable que las macros estén simplemente sentadas; lo más probable es que estén atravesando el espacio a velocidades de entre 150 y 300 millas por segundo (en comparación con aproximadamente media milla por segundo para una bala de rifle).

Si una macro pasara a través de la atmósfera de la Tierra, liberaría tanta energía que quitaría los electrones de los átomos que empujó a un lado, creando un canal largo y delgado de partículas cargadas, conocidas como iones, en el aire. Normalmente, un canal de iones de este tipo sería invisible, pero si hubiera una tormenta eléctrica en curso, el canal ofrecería un conducto para los rayos. Pero a diferencia de los relámpagos ordinarios, que son irregulares, estos rayos macroinducidos serían rectos como una flecha, según el físico Glenn Starkman de la Universidad Case Western Reserve y su hijo Nathaniel Starkman, estudiante de posgrado en física en la Universidad de Toronto. Su artículo, en coautoría con sus colegas Harrison Winch y Jagjit Singh Sidhu, examina el mecanismo por el cual las macros pueden desencadenar rayos, así como varios otros medios novedosos para buscar evidencia de macros. Fue publicado en abril en la revista Revisión física D.

“Dado que estas macros viajan tan rápido, no se ven realmente afectadas por el viento, por lo que estos canales iónicos son notablemente rectos y atraviesan directamente la atmósfera terrestre”, dice el joven Starkman. Los relámpagos normalmente viajan por caminos inconexos y tortuosos mientras intenta encontrar el camino de menor resistencia entre las nubes y el suelo. Debido a las fluctuaciones de temperatura y humedad, ese camino suele ser errático y produce un patrón de zigag característico. Pero una vez que una macro ha creado un canal de iones perfectamente recto, el rayo “encajaba en su lugar”, lo que resultaba en un rayo superrecto. “Aún es brillante, aún es ruidoso, pero ya no es irregular”, dice Nathaniel.

Debido a que las macros transportan tanta energía en una forma tan compacta, podrían atravesar la Tierra y emerger intactas del otro lado. Como señalan los autores en su artículo, el relámpago directo que describen podría ser el resultado de una macro que desciende del espacio o que sube desde abajo, que ya ha atravesado nuestro planeta.

Hasta la fecha, nadie ha visto nunca un rayo tan directo. Lo más cercano que se haya registrado fue un rayo casi directo visto en Zimbabue en 2015, pero no fue lo suficientemente directo, dicen los autores. Pero la falta de evidencia puede deberse simplemente a la falta de un esfuerzo de búsqueda coordinado. En su artículo, los Starkman sugieren aprovechar las redes existentes de cámaras que escanean el cielo en busca de meteoros, bolas de fuego y bólidos, meteoritos que se rompen y crean múltiples rayas. Sin embargo, el software utilizado por esas redes de cámaras de meteoritos tendría que modificarse; habiendo sido diseñados para buscar meteoros, están programados para filtrar los rayos.

La cantidad de casos de relámpagos directos que tal búsqueda podría dar depende de muchos factores, incluida la masa, el tamaño y la velocidad de las macros, y cuántas de ellas existen en un volumen de espacio dado, todos los cuales son cifras muy inciertas. Como una estimación aproximada, los Starkman sugieren que hasta 50 millones de macros podrían estar golpeando nuestra atmósfera por año, pero, a menos que una macro golpee donde se está produciendo una tormenta eléctrica, es poco probable que lo notemos. “Si tenemos suerte, descubriremos que en realidad hay relámpagos rectos y simplemente no los hemos estado monitoreando”, dice Glenn. “Uno sería interesante; más de uno estaría bien ”, agrega Nathaniel.

La noción de buscar evidencia de materia oscura en un fenómeno tan rutinario como un rayo es “muy interesante”, dice Sean Tulin, físico de la Universidad de York en Toronto. “Definitivamente es una idea interesante y muy creativa”. El hecho de que ninguna otra búsqueda de materia oscura haya dado en el blanco significa que los físicos deberían tener la mente abierta, dice. “El campo de la física de partículas y la física de la materia oscura se encuentra en una encrucijada, y la gente realmente está reconsiderando qué otros tipos de partículas [beyond WIMPs] puede ser.”

La idea de macros no es nueva; El físico Ed Witten, conocido por su trabajo sobre la teoría de cuerdas, escribió sobre la posible existencia de objetos algo así como macros, pero aún más densos —los llamó “pepitas de quark” – en un artículo en la década de 1980, e incluso sugirió estos objetos exóticos como un candidato potencial a la materia oscura. Pero si los objetos ultra densos como macros o pepitas de quark serían estables durante largos períodos de tiempo sigue siendo un tema de debate.

En su artículo, los Starkman también sugieren otros lugares donde las rápidas macros podrían haber dejado su huella, incluido algo que podría tener en su cocina. Si una macro atravesara una losa de granito en algún momento de la historia de la Tierra, argumentan, habría derretido una línea similar a un lápiz a través de la roca, que luego se habría vuelto a solidificar; los geólogos se refieren a este tipo de roca, que fue fundida y luego solidificada, como obsidiana. Si se cortara una losa delgada de un bloque de granito que había sido perforado por una macro, habría un parche ovalado revelador de obsidiana, quizás de media pulgada de ancho, a ambos lados de la losa. “Resulta que cuando se derrite el granito y luego se enfría, se forma obsidiana, que se ve diferente al granito”, dice Glenn sobre la roca ígnea de color oscuro. Está animando a la gente a examinar losas de granito que podrían ver en las tiendas de renovación de viviendas o incluso en sus propias cocinas (aunque una vez instaladas como encimera de cocina, puede ser difícil ver ambos lados de la losa). También espera crear un sitio web de ciencia ciudadana para permitir que las personas envíen fotos de losas de granito sospechosas.

Un tercer lugar para buscar signos de macros podría ser el planeta Júpiter, sugieren los autores. Júpiter tiene tormentas eléctricas mucho más grandes que la Tierra, lo que aumenta las posibilidades de que una macro atraviese una tormenta de este tipo. Tales eventos pueden producir señales de radio distintivas, dice Glenn, que podrían monitorearse desde un satélite en órbita alrededor del planeta.

Todo esto puede parecer un tanto fuera de lo común, pero, de nuevo, años de búsqueda con métodos más tradicionales aún no han revelado ningún signo concreto de materia oscura. Por supuesto, es posible que un estudio exhaustivo de las tormentas eléctricas, losas de granito y la atmósfera de Júpiter pueda fallar de manera similar en producir indicios de materia oscura, pero incluso un resultado negativo puede ser útil en física, al ayudar a restringir los modelos teóricos. “Cada vez que se pueden descartar hipótesis viables, sin importar cuán improbables sean, eso es un poco de progreso”, dice Dan Hooper, físico de Fermilab en Illinois. El artículo de Starkman “es ciencia legítima. Es un paso hacia la obtención de una respuesta “.