Científicos recurren al campo magnético de la Tierra en busca de elusivos candidatos a materia oscura

Los investigadores están recurriendo al propio campo geomagnético de la Tierra como un vasto detector natural para buscar materia oscura, centrándose en dos de los principales candidatos teóricos a partículas conocidos como axiones ultraligeros y fotones oscuros, según informa phys.org.

A pesar de décadas de observaciones astronómicas que confirman que la materia oscura constituye aproximadamente una cuarta parte del contenido energético total del universo, la identidad fundamental de estas entidades invisibles sigue siendo desconocida. Los experimentos de laboratorio tradicionales han dedicado años a intentar crear o detectar partículas candidatas utilizando equipos terrestres, pero los investigadores recurren cada vez más a fenómenos a escala planetaria para ampliar el espacio de parámetros de búsqueda.

## Reutilizar los campos magnéticos planetarios

El nuevo enfoque se basa en el principio de que ciertos candidatos teóricos a materia oscura pueden interactuar con campos electromagnéticos, según informó phys.org. Se prevé que, al pasar a través de un campo magnético intenso, partículas como los axiones ultraligeros o los fotones oscuros se conviertan en fotones ordinarios, creando señales electromagnéticas diminutas y detectables.

Al utilizar el campo magnético global de la Tierra (una magnetosfera que se extiende a lo largo de miles de kilómetros en el espacio), los físicos pueden transformar eficazmente todo el planeta en un detector de partículas gigante. En lugar de depender únicamente de campos magnéticos artificiales generados por imanes superconductores de laboratorio, que están intrínsecamente limitados en escala física, los investigadores pueden analizar sutiles fluctuaciones en los datos de los campos magnéticos y eléctricos del planeta. Esta estrategia permite a los científicos explorar rangos de masa y fuerzas de acoplamiento que antes eran inalcanzables con equipos de laboratorio terrestres.

## El rompecabezas de la materia oscura

La identidad de la materia oscura representa uno de los problemas no resueltos más destacados de la física y la cosmología modernas. Las observaciones de las velocidades de rotación galáctica, las lentes gravitacionales alrededor de cúmulos de galaxias y la radiación de fondo de microondas indican que la materia visible —los átomos que componen las estrellas, los planetas y los organismos vivos— representa solo alrededor del cinco por ciento del presupuesto energético total del universo.

La materia oscura representa aproximadamente el 27 por ciento, mientras que la energía oscura ocupa el resto. Dado que la materia oscura no absorbe, refleja ni emite luz, su presencia se infiere totalmente a través de su atracción gravitatoria sobre las estructuras visibles del cosmos. Durante décadas, el candidato teórico dominante para la materia oscura fue la partícula masiva de interacción débil, o WIMP (por sus siglas en inglés). Sin embargo, a medida que los colisionadores de partículas de alta energía y los detectores subterráneos profundos no han logrado observar las WIMP, la atención de la comunidad física se ha desplazado significativamente hacia candidatos alternativos, incluidas partículas extremadamente ligeras de tipo ondulatorio.

## Candidatos bajo el microscopio

Entre estos candidatos alternativos, los axiones ultraligeros y los fotones oscuros han surgido como los principales objetos de investigación. Los axiones se postularon originalmente a finales de la década de 1970 para resolver un dilema teórico en la cromodinámica cuántica conocido como el problema CP fuerte, que se refiere a por qué las fuerzas nucleares fuertes parecen respetar la simetría de carga y paridad. Más tarde, los físicos teóricos se dieron cuenta de que, si los axiones existen, se habrían producido en ingentes cantidades durante el universo primigenio, lo que los convierte en un sólido candidato para la materia oscura.

Los fotones oscuros, en cambio, son partículas hipotéticas portadoras de fuerza asociadas con un sector oculto propuesto de la física. Mientras que los fotones estándar mecen la fuerza electromagnética para la materia normal, los fotones oscuros interactuarían principalmente con otras partículas del sector oscuro, mezclándose débilmente con los fotones estándar en condiciones específicas. Tanto los axiones ultraligeros como los fotones oscuros actúan más como ondas clásicas coherentes que como partículas individuales distintas debido a sus masas excepcionalmente bajas, lo que genera firmas ondulatorias características al interactuar con los campos magnéticos planetarios.

## Ventajas de la detección a escala planetaria

La principal ventaja de utilizar el campo geomagnético como medio experimental radica en su enorme volumen. En los experimentos de física de partículas que buscan conversiones de campo, la intensidad de la señal suele variar proporcionalmente con la intensidad del campo magnético multiplicada por el volumen de la región sobre la que se extiende dicho campo.

Aunque los detectores de laboratorio creados por el ser humano, como los haloscopios y helioscopios, pueden generar campos magnéticos extremadamente intensos, estos campos están limitados a volúmenes de unos pocos metros cúbicos o menos. Por el contrario, aunque el campo magnético de la Tierra es relativamente débil en la superficie (oscila aproximadamente entre 25 y 65 microteslas), abarca una extensión espacial de decenas de miles de kilómetros. Este inmenso volumen compensa la menor intensidad del campo, ofreciendo una sensibilidad excepcional a los campos de materia oscura ultraligera de baja frecuencia.

Para buscar estas posibles señales, los investigadores pueden aprovechar las redes existentes de magnetómetros terrestres, observaciones satelitales y estaciones especializadas de monitoreo de radiofrecuencia. Al analizar las correlaciones cruzadas en los datos recopilados en múltiples ubicaciones geográficas, los científicos pueden buscar oscilaciones electromagnéticas coherentes y globales que indicarían la conversión de partículas de materia oscura que atraviesan la magnetosfera terrestre.

## Implicaciones para la física fundamental

La detección de axiones o fotones oscuros mediante observaciones geomagnéticas representaría un gran avance en la ciencia fundamental. Identificar la composición de la materia oscura no solo resolvería una cuestión cosmológica central, sino que también proporcionaría la primera evidencia directa de física más allá del Modelo Estándar, el marco prevaleciente que describe las partículas y fuerzas fundamentales.

Incluso si las búsquedas geomagnéticas actuales no ofrecen inmediatamente un descubrimiento directo, la metodología aporta un valor crucial al imponer nuevas y estrictas restricciones sobre la masa potencial y la fuerza de interacción de los candidatos a materia oscura. Establecer límites más ajustados ayuda a los físicos teóricos a perfeccionar sus modelos y permite a los experimentalistas delimitar dónde debe centrarse la tecnología de detección del futuro.

## Próximos pasos

A medida que los métodos de adquisición de datos y los algoritmos de procesamiento de señales continúan mejorando, los investigadores planean analizar conjuntos de datos más amplios procedentes tanto de observatorios geomagnéticos terrestres como de satélites espaciales. Se espera que las colaboraciones interdisciplinarias que combinan la experiencia de la física de partículas, la geofísica y la astronomía observacional desempeñen un papel central en el perfeccionamiento de estas técnicas analíticas.

El trabajo futuro implicará filtrar el ruido de fondo causado por las interacciones del viento solar, las corrientes ionosféricas y la interferencia electromagnética de origen humano, garantizando que cualquier señal detectada pueda vincularse de manera definitiva con conversiones de materia oscura en lugar de con fenómenos geofísicos locales.

Este artículo fue elaborado utilizando información publicada por phys.org.