Introducción a la ciencia. Una guía para todos (o casi) (43 page)

Los astrónomos están emocionados con la teoría del inflado, porque proporciona un modelo que explica cómo comenzó el Big Bang. Los expertos en física de partículas también están emocionados con esta teoría, porque les proporciona una comprobación de las suyas propias, con energías mucho mayores que las que se pueden conseguir aquí en la Tierra. Ambos campos de la física están encantados porque el inflado, como todas las buenas teorías científicas, realiza predicciones que se pueden comprobar; en este caso mediante la observación del universo a gran escala. En general, la teoría del inflado supera las pruebas, aunque todavía hay muchas cosas que no entendemos en relación con el nacimiento del universo.

La comprobación más importante que todo este paquete de teorías ha superado hasta el momento se refiere a esas ondulaciones en la radiación de fondo que ya hemos mencionado anteriormente. Las ondulaciones que vemos en la actualidad fueron impresas cuando el universo tenía alrededor de un millón de años, y muestran que la materia (en forma de nubes de gas caliente) estaba distribuida en aquella época justo de la manera adecuada para colapsarse y formar estrellas y galaxias dentro de un universo en expansión. Según la teoría del inflado, cuando el universo que hoy día es visible para nosotros ocupaba un volumen de sólo 10
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cm de diámetro (cien millones de veces mayor que la longitud de Planck), las fluctuaciones cuánticas «ordinarias», como las que ya hemos descrito en las páginas precedentes de este libro, hubieron de producir unas ondulaciones muy pequeñas en la estructura del universo. Al mismo tiempo que expandía todo lo demás durante el inflado, el proceso de crecimiento exponencial tuvo que tomar esas ondulaciones cuánticas y estirarlas, dejando por todo el universo su huella en forma de variaciones en la densidad de la materia de un lugar a otro.

El tipo de ondulaciones ocasionadas en la radiación de fondo y observadas por el COBE y por otros detectores sería producido sin duda por una ampliación de las fluctuaciones cuánticas realizada de este modo. Si los modelos son correctos, sin la fluctuación cuántica primordial no habría existido en absoluto un universo; y sin esas fluctuaciones cuánticas secundarias no habría seres humanos que hicieran cábalas sobre el origen del universo, ya que todo habría sido liso y uniforme, y así no se habrían creado las estrellas. Ningún otro modelo que se haya desarrollado hasta ahora puede explicar por qué el universo es muy uniforme por todas partes (gracias al inflado), pero sin embargo contiene exactamente el tipo adecuado de ondulaciones que se necesitan para formar las galaxias y los clusters de galaxias (también gracias al inflado).

Éste es un ejemplo del modo en que la teoría del inflado explica algo que ya había sido observado: el hecho de que existimos. ¿Puede hacer una predicción real y estable? ¿Una predicción que se pueda comprobar en laboratorios situados aquí en la Tierra? Sí. Uno de los requisitos clave que es común a todas las variaciones sobre este tema es que la cantidad de materia existente en el universo debe, desde luego, equilibrar la energía negativa del campo gravitatorio. Este preciso equilibrio es una condición requerida para que el universo se expanda hasta el infinito y se quede así, detenido, sin volver a colapsarse (la imagen en espejo, inversa en el tiempo, de nuestra descripción inicial de una nube de partículas infinitamente dispersas que se colapsan confluyendo todas en un punto). En el lenguaje de la teoría general de la relatividad, esto significa que el espacio-tiempo debe ser plano en todas partes, sin curvaturas pronunciadas.
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En un lenguaje más cotidiano, esto quiere decir que la expansión que vemos en curso todavía actualmente no continuará siempre, pero tampoco será invertida por efecto de la gravedad para hacer que el universo vuelva a colapsarse. Esta suspensión, por un tiempo infinito, de la expansión sólo se producirá si hay una cantidad crítica de materia en el universo, que correspondería a unas cien veces más materia que toda la que vemos brillando en forma de estrellas y galaxias. En otras palabras, la teoría del inflado predice que la mayor parte de la masa del universo se encuentra en forma de materia oscura.

Esto resulta magnífico para los astrónomos, porque ya saben que hay más universo que el que ven nuestros ojos. A partir de estudios realizados sobre el modo en que las galaxias rotan y se mueven por el espacio, está claro que están siendo sometidas a una atracción causada por materia invisible; en efecto, las evidencias astronómicas muestran que la cantidad de materia oscura que existe es al menos diez veces la cantidad de materia brillante, y puede que cien veces esta cantidad.

Sin embargo, los cálculos realizados sobre la manera en que la materia fue procesada en el Big Bang, que ya hemos esbozamos anteriormente en este capítulo, establecen límites en relación con la cantidad de esta materia (brillante u oscura) que puede haber en forma de protones y neutrones (que juntos constituyen núcleos de materia bariónica, la clase de materia de la que estamos hechos). Los procesos que tuvieron lugar en el Big Bang —interacciones en las que participaban protones, neutrones, electrones y neutrinos— son procesos que están decisivamente afectados por la densidad de esta materia durante unos pocos primeros segundos, en el momento en que se están produciendo estas interacciones. Si el objetivo era obtener la proporción correcta de 26 por 100 de helio y 74 por 100 de hidrógeno, hoy en día no podemos tener en forma de bariones más que un pequeño porcentaje de la cantidad crítica de materia. Puede haber otros tipos de materia, con tal de que ésta no se vea implicada en las reacciones de fusión nuclear que produjeron helio cuando el universo era joven, pero lo que no se puede es conseguir que el universo sea plano utilizando sólo bariones.

Esto es magnífico para los expertos en física de partículas, porque sus teorías estándar sobre partículas y campos predicen también la existencia de diferentes tipos de partículas, que no se parecen a nada de lo que hemos visto hasta ahora; se trata de materia no bariónica. Estas partículas nunca se han detectado porque, según los modelos, no son sensibles a ninguna gran fuerza, ni a fuerzas electromagnéticas (ni siquiera son sensibles a las fuerzas débiles). Sólo participan en interacciones con el resto del universo por efecto de la gravedad; de hecho, quedaron apartadas de cualquier otra materia desde el momento en que la gravedad se separó de las otras fuerzas, en los tiempos remotos del nacimiento del universo. Aunque estas partículas están aún por detectar, los modelos predicen qué tipo de masas han de tener, así como otras propiedades, y se les han dado nombres tales como, por ejemplo, fotinos.

De un modo más general, todos los objetos de este tipo se denominan Partículas Masivas de Interacción Débil, en inglés Weakley Interacting Massive Particles con las siglas WIMP; este nombre viene determinado por la sencilla razón de que poseen masa, pero no participan muy activamente en interacciones con la materia ordinaria. Aunque en principio pueden existir muchas clases diferentes de WIMP, y se supone que pudieron formarse profusamente en las condiciones de energía de los primeros tiempos del universo primitivo, es probable que sólo las más ligeras de las WIMP (posiblemente el fotino) sean estables y que todas las demás WIMP se hayan desintegrado de forma progresiva, en fases muy tempranas de la historia del universo, hasta llegar a su estado más ligero.

Desde luego, lo que les gustaría tanto a los astrónomos como a los expertos en física de partículas es tener un modo de detectar estas partículas directamente, lo cual puede que se consiga dentro de unos pocos años. Ahora que ya se ha llegado a sospechar su presencia, tendría que ser relativamente fácil capturar una WIMP, dado que las supuestas masas de estas partículas son aproximadamente la masa del protón, y también porque los modelos sugieren que estamos nadando en un mar de WIMP.

Si las masas de las WIMP están en la misma gama de valores que la masa de un protón o de un neutrón, y actualmente en el universo la cantidad de materia oscura es hasta cien veces la cantidad de materia brillante, entonces la cantidad de WIMP debe ser hasta cien veces la de bariones. A diferencia de los bariones, que se concentran en las estrellas y las galaxias, las WIMP estarían distribuidas más uniformemente por todo el universo (hay una prueba indirecta de esto en la forma de los patrones que dibujan los clusters de galaxias en el cielo; las simulaciones por ordenador muestran que los patrones de galaxias observados sólo pueden haberse formado si la materia bariónica brillante queda sumergida en un mar más uniforme de materia fría y oscura).

Unos sencillos cálculos sugieren que pueden existir unas 10.000 WIMP en cada metro cúbico del espacio que nos rodea; no sólo en el espacio vacío, sino también en el que está ocupado por la materia ordinaria, incluidos el aire que respiramos, la Tierra sólida y el núcleo del Sol (aunque la cifra parece menos impresionante, si recordamos que a una temperatura de cero grados Celsius cada centímetro cúbico de aire al nivel del mar contiene 45 trillones de moléculas). Estas WIMP correrían por un laboratorio a una velocidad de un par de cientos de kilómetros por segundo, como un enjambre de abejas cósmicas, y la mayoría de ellas pasarían a través de cualquier objeto del tamaño de un ser humano sin tan siquiera notar que está allí.

De todas estas WIMP sólo unas pocas chocarían contra el núcleo de un átomo y serían rechazadas por él (recordemos que, tal como Rutherford descubrió, un átomo es sobre todo un espacio vacío en el que está contenido un núcleo central pequeñísimo). En un kilogramo de materia (cualquier materia) existen cerca de 10
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bariones (mil cuatrillones de bariones). Cada día una cantidad de WIMP comprendida entre unos pocos y unos pocos cientos (dependiendo de sus propiedades exactas, que aún no se conocen) participará en una colisión nuclear dentro de un kilogramo de materia, siendo ésta la base sobre la que trabajan los detectores de WIMP que están empezando a funcionar en la actualidad.

Si sucede realmente que una WIMP choca con el núcleo de un átomo, habrá una repercusión en este núcleo. Sin embargo, en condiciones ordinarias los núcleos están recibiendo sacudidas constantemente: por parte de las radiaciones cósmicas del espacio, por el movimiento térmico, etc. Este ruido de fondo ha de ser eliminado si se desea discernir los efectos de las colisiones con las WIMP. Por ello, los detectores de WIMP toman bloques de materia muy pura que se mantiene aislada de influencias exteriores a muy bajas temperaturas, en laboratorios situados en el fondo de pozos mineros o en túneles excavados bajo montañas. En esos laboratorios, los bloques de materia se enfrían a pocos grados sobre el cero absoluto (unos pocos grados Kelvin) y se controlan mediante detectores muy sensibles para ver si sufren perturbaciones por efecto del impacto de una WIMP.

Están empezando a entrar en funcionamiento varios detectores con sensibilidad para registrar el impacto de aquellas WIMP que tienen el tipo de propiedades establecidas por las Grandes Teorías Unificadas de la física de partículas (las mismas propiedades que exigen los astrónomos para explicar la naturaleza de la materia oscura del universo) y ya se han dado un par de casos en que un equipo de científicos ha comunicado la detección de estas partículas, aunque estas detecciones han sido descartadas categóricamente, porque las han considerado prematuras otros científicos que no pertenecen a los equipos que alegan la detección.

Los experimentos decisivos se llevarán a cabo a principios del siglo
XXI
; entonces, si las WIMP existen, se verán realmente de forma individual. Por primera vez tendremos contacto experimental directo con unas partículas que representan el 99 por 100 de la masa del universo. Sin embargo, si estos experimentos dieran resultados negativos, esto significaría, de una manera decisiva, que las WIMP no existen, es decir, que los modelos están equivocados.

Eso sería una lástima, porque lo más emocionante en relación con toda la historia de estas partículas es que las propiedades de las WIMP que se han predicho mediante los modelos son exactamente las propiedades de las partículas que necesitan los cosmólogos para determinar la existencia de la materia oscura del universo. Se trata de la concordancia más extraordinaria entre ramas de la ciencia que inicialmente parecen estar yendo en direcciones divergentes, la una explorando hacia el interior en el mundo de lo muy pequeño, y la otra mirando hacia afuera en el mundo de las grandes dimensiones.

Si se detectan las WIMP dentro de unos pocos años, y tienen las propiedades predichas, este encaje entre lo grande y lo pequeño constituirá la mayor justificación del método científico entendido en su totalidad. Sin embargo, si no se detectan, tendremos que ponemos a reflexionar de nuevo, y no sobre el método científico, sino sobre este conjunto particular de modelos. En cualquier caso, ahora tiene usted una butaca de primera fila para presenciar la comprobación de una de las teorías más importantes y de mayor alcance que la ciencia ha propuesto jamás. No obstante, sea cual sea el resultado de esta comprobación, éste no alterará la verdad de la cosa más fundamental e importante que la ciencia nos debe enseñar. No importa lo hermoso que pueda ser un modelo, no importa que ahora todo parezca encajar de una forma natural; si el modelo no concuerda con el experimento, es falso.