Materia oscura, energía oscura y materia desaparecida: la física se prepara para el próximo avance
El dibujo de un artista muestra la vista actual de la Vía Láctea. La evidencia científica muestra que en el medio de la Vía Láctea hay un agujero negro supermasivo. Crédito de la imagen: NASA / JPL-CALTECH
Por Sophia Chen para WIRED • 29 de diciembre de 2017
EL 14 DE SEPTIEMBRE DE 2015, a las 3:50 AM hora central, una pequeña vibración se estremeció en los brazos de una máquina enorme de 2.5 millas de longitud en Livingston, Louisiana. Una fracción de segundo más tarde, una vibración similar sacudió los brazos de una máquina idéntica en Hanford, Washington. Finalmente, los físicos de esas instalaciones confirmaron la naturaleza de esos temblores gemelos: después de un siglo de trabajo, finalmente habían visto las ondas gravitacionales. Esa pequeña vibración, según descubrieron, se originó a partir de una colisión catastrófica entre dos agujeros negros, hace 1.500 millones de años.
Tan solo dos meses después, el interferómetro láser de onda gravitatoria detectó una segunda ola. Luego, este año, un tercero, luego un cuarto, quinto y sexto. Juntos, han resuelto un misterio de larga data en la física, confirmando que la gravedad obedece a la teoría de la relatividad general de Einstein. Y en octubre, tres investigadores pioneros de ondas gravitacionales, Barry Barish, Kip Thorne y Rainer Weiss, ganaron el Premio Nobel por ese trabajo crítico.
Pero no dejes que los elogios te hagan pensar que el éxito de LIGO fue fácil. Cuando el observatorio comenzó a instalar una infraestructura crucial hace más de 20 años, el resto del campo los consideraba forasteros; un colega incluso testificó contra el financiamiento del Congreso por sus esfuerzos. Y LIGO no es un caso atípico; todos los grandes descubrimientos en física inevitablemente siguen un camino serpenteante (y costoso) de trabajo científico y combate político. El próximo descubrimiento dependerá nuevamente de una combinación caprichosa de trabajo duro, política y suerte, por lo que los físicos no tienen idea de qué avance vendrá después.
Pero puede esperar que sea costoso. Los físicos han resuelto muchos de los misterios más simples en el universo, dice el astrofísico Joshua Frieman de la Universidad de Chicago, y las preguntas restantes son lo suficientemente complicadas como para requerir instalaciones multimillonarias hechas a medida. "Somos víctimas de nuestro propio éxito", dice.
Entonces, ¿cuál podría ser ese próximo gran avance existencial en física? Algunos elementos del expediente: descubre la materia oscura y la energía oscura. Y oh sí, averigua de dónde viene la materia en el universo.
"Creo que la gente piensa en los científicos solo en el momento del descubrimiento", dice el físico Luca Grandi de la Universidad de Chicago, un cazador de materia oscura cuya búsqueda comenzó en 1999. Como estudiante universitario en Italia, se unió a una colaboración de materia oscura llamada WArP , cuya misión propia ya llevaba seis décadas en proceso. En 1933, Fritz Zwicky primero predijo la existencia de "materia oscura" invisible cuando notó que las galaxias giraban más rápido de lo que sus masas predijeron. Décadas más tarde, Vera Rubin encontró más evidencia de materia oscura en otras galaxias. Los físicos ahora piensan que la materia oscura constituye el 96 por ciento de la masa del universo.
Aún así, nadie ha visto las cosas en la Tierra. En sus 18 años en el negocio, Grandi ha probado varias tácticas. En 2008, como investigador postdoctoral en los Estados Unidos, cofundó su propia colaboración de materia oscura llamada DarkSide, que aún está en curso. Pero el detector basado en argón de DarkSide cayó en desgracia, ya que la comunidad pivotaba hacia detectores basados en xenón, que eran más precisos.
El actual grupo de materia oscura de Grandi, acertadamente llamado Xenon, ya está haciendo planes para la década de 2030, primero ampliando su actual detector de 3 toneladas a 8 toneladas, y luego 50 toneladas. Cuanto mayor sea el detector, más probable es que atrape una partícula masiva de interacción débil, o WIMP, una partícula hipotética de materia oscura. Y Grandi, ahora de 41 años, está dispuesto a mantener el rumbo. "Cada día es diferente, así que creo que es difícil cansarse en este campo", dice. "Realmente haces muchas cosas, desde el hardware hasta el análisis de datos, la interpretación y las estadísticas. Entonces siempre es emocionante ".
Eso es lo que generará el próximo descubrimiento, uno: la curiosidad juvenil que puede soportar décadas de fracaso y burocracia. "Ahora estás hablando durante dos décadas, desde la concepción inicial de un proyecto hasta la toma de datos", dice Frieman. "Eso es un largo tiempo. Esa es una buena fracción de la carrera de alguien ".
Frieman también podría estar hablando sobre el esfuerzo de la materia oscura, pero en realidad se está refiriendo a un proyecto de física completamente diferente: el telescopio Large Synoptic Survey, con sede en Chile, que continuará con la búsqueda de la energía oscura. Propuesto por primera vez en la década de 1990, ese telescopio finalmente se completará alrededor de 2022. Los astrofísicos piensan que la energía oscura ha causado que el universo se expanda a un ritmo acelerado, tan rápido que eventualmente se desgarre, en miles de millones de años a partir de ahora. Lo llaman "The Big Rip".
Las observaciones del LSST se basarán en los datos tomados por Dark Energy Survey, el proyecto que lidera Frieman, que ha monitoreado 300 millones de galaxias desde 2013. Frieman ayudó a recaudar los fondos para la cámara, software y mano de obra de DES 50 millones de dólares en los primeros años. .
Es una cantidad mediana cuando se compara con el presupuesto 2017 de la National Science Foundation de $ 8 mil millones, y el gasto acumulado de LIGO de más de $ 1 mil millones. Pero los físicos están proponiendo muchos proyectos con presupuestos similares. Xenon, por ejemplo, ha recaudado decenas de millones en los Estados Unidos y en el extranjero para sus instalaciones.
Para estas sumas, "no solo se aplica de la nada", dice el físico Giorgio Gratta de la Universidad de Stanford. Primero reclutas a un pequeño grupo de personas para que trabajen en él. Por lo general, puede obtener una pequeña subvención de su universidad para desarrollar la idea. Luego, prototipos y publicas la idea y esperas que el entusiasmo de las bases se expanda.
Lleva años. Mejor escenario posible: gana tanto impulso que los asesores científicos del gobierno recomiendan su proyecto para financiamiento. Eso es lo que realmente puede llevar un proyecto de lo teórico a lo práctico.
GRATTA LLAMA ESTE proceso de "socialización", y durante aproximadamente cinco años, lo ha estado probando mientras recauda fondos para su propia foto: una actualización experimental de $ 200 millones llamada nEXO. Espera usarlo para buscar un proceso radiactivo hipotético conocido como decaimiento beta beta sin neutrinos. Básicamente son dos neutrones en un núcleo atómico que se convierten en dos protones y dos electrones: dos partículas de materia que se convierten en cuatro, sin ninguna producción de antimateria.
Si el proceso realmente ocurre, es una de las formas en que el universo creó más materia que antimateria. Y saber eso ayudaría a responder a esa pregunta persistente: ¿Por qué existe el universo?
Gratta y sus colegas han pasado los últimos años socializando. Su grupo incluye aproximadamente 150 personas ahora, quienes han hablado del proyecto en conferencias. Han presentado un diseño, esencialmente, un cilindro de cinco toneladas de xenón líquido y una gran cantidad de productos electrónicos elaborados. Han respaldado su diseño con estudios de viabilidad sobre componentes específicos del detector.
Pero no pueden prometer a los organismos de financiación un descubrimiento. "Quiero decir, no harías el experimento si supieras cuál fue la respuesta", dice Gratta. Es posible que nunca verán la decadencia radiactiva. Pero incluso si no lo hacen, no será del todo infructuoso. Los experimentos de física a menudo producen tecnología inesperada: los investigadores de seguridad nuclear han adaptado los detectores de materia oscura para buscar material radioactivo robado, por ejemplo.
En 2015, Gratta pensó que finalmente lo logró cuando un consejo de científicos, patrocinado por la NSF y el Departamento de Energía, declaró su área de investigación como una prioridad nacional en un libro blanco.
Pero incluso con la bendición del consejo, Gratta todavía no tiene fondos. Aún no ha escrito una propuesta formal de subvención porque una agencia de financiamiento le dijo que no era el momento adecuado para hacer una consulta. Le preguntó al DOE si debería postularse hace unos tres años, y le dijeron que volviera más tarde. Indagó nuevamente este año, y le dijeron que probara alrededor de 2019.
La ciencia trata de explorar lo desconocido, dice Gratta. "¿Qué pasa si no hay nada?", Dice. "Entonces aprendimos, no hay nada". Es franco sobre la idea de que está vendiendo. Una misión, que cuesta millones y duraderas décadas, que podría responder a las preguntas más profundas del universo, o simplemente aparecer vacía.
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El dibujo de un artista muestra la vista actual de la Vía Láctea. La evidencia científica muestra que en el medio de la Vía Láctea hay un agujero negro supermasivo. Crédito de la imagen: NASA / JPL-CALTECH
Por Sophia Chen para WIRED • 29 de diciembre de 2017
EL 14 DE SEPTIEMBRE DE 2015, a las 3:50 AM hora central, una pequeña vibración se estremeció en los brazos de una máquina enorme de 2.5 millas de longitud en Livingston, Louisiana. Una fracción de segundo más tarde, una vibración similar sacudió los brazos de una máquina idéntica en Hanford, Washington. Finalmente, los físicos de esas instalaciones confirmaron la naturaleza de esos temblores gemelos: después de un siglo de trabajo, finalmente habían visto las ondas gravitacionales. Esa pequeña vibración, según descubrieron, se originó a partir de una colisión catastrófica entre dos agujeros negros, hace 1.500 millones de años.
Tan solo dos meses después, el interferómetro láser de onda gravitatoria detectó una segunda ola. Luego, este año, un tercero, luego un cuarto, quinto y sexto. Juntos, han resuelto un misterio de larga data en la física, confirmando que la gravedad obedece a la teoría de la relatividad general de Einstein. Y en octubre, tres investigadores pioneros de ondas gravitacionales, Barry Barish, Kip Thorne y Rainer Weiss, ganaron el Premio Nobel por ese trabajo crítico.
Pero no dejes que los elogios te hagan pensar que el éxito de LIGO fue fácil. Cuando el observatorio comenzó a instalar una infraestructura crucial hace más de 20 años, el resto del campo los consideraba forasteros; un colega incluso testificó contra el financiamiento del Congreso por sus esfuerzos. Y LIGO no es un caso atípico; todos los grandes descubrimientos en física inevitablemente siguen un camino serpenteante (y costoso) de trabajo científico y combate político. El próximo descubrimiento dependerá nuevamente de una combinación caprichosa de trabajo duro, política y suerte, por lo que los físicos no tienen idea de qué avance vendrá después.
Pero puede esperar que sea costoso. Los físicos han resuelto muchos de los misterios más simples en el universo, dice el astrofísico Joshua Frieman de la Universidad de Chicago, y las preguntas restantes son lo suficientemente complicadas como para requerir instalaciones multimillonarias hechas a medida. "Somos víctimas de nuestro propio éxito", dice.
Entonces, ¿cuál podría ser ese próximo gran avance existencial en física? Algunos elementos del expediente: descubre la materia oscura y la energía oscura. Y oh sí, averigua de dónde viene la materia en el universo.
"Creo que la gente piensa en los científicos solo en el momento del descubrimiento", dice el físico Luca Grandi de la Universidad de Chicago, un cazador de materia oscura cuya búsqueda comenzó en 1999. Como estudiante universitario en Italia, se unió a una colaboración de materia oscura llamada WArP , cuya misión propia ya llevaba seis décadas en proceso. En 1933, Fritz Zwicky primero predijo la existencia de "materia oscura" invisible cuando notó que las galaxias giraban más rápido de lo que sus masas predijeron. Décadas más tarde, Vera Rubin encontró más evidencia de materia oscura en otras galaxias. Los físicos ahora piensan que la materia oscura constituye el 96 por ciento de la masa del universo.
Aún así, nadie ha visto las cosas en la Tierra. En sus 18 años en el negocio, Grandi ha probado varias tácticas. En 2008, como investigador postdoctoral en los Estados Unidos, cofundó su propia colaboración de materia oscura llamada DarkSide, que aún está en curso. Pero el detector basado en argón de DarkSide cayó en desgracia, ya que la comunidad pivotaba hacia detectores basados en xenón, que eran más precisos.
El actual grupo de materia oscura de Grandi, acertadamente llamado Xenon, ya está haciendo planes para la década de 2030, primero ampliando su actual detector de 3 toneladas a 8 toneladas, y luego 50 toneladas. Cuanto mayor sea el detector, más probable es que atrape una partícula masiva de interacción débil, o WIMP, una partícula hipotética de materia oscura. Y Grandi, ahora de 41 años, está dispuesto a mantener el rumbo. "Cada día es diferente, así que creo que es difícil cansarse en este campo", dice. "Realmente haces muchas cosas, desde el hardware hasta el análisis de datos, la interpretación y las estadísticas. Entonces siempre es emocionante ".
Eso es lo que generará el próximo descubrimiento, uno: la curiosidad juvenil que puede soportar décadas de fracaso y burocracia. "Ahora estás hablando durante dos décadas, desde la concepción inicial de un proyecto hasta la toma de datos", dice Frieman. "Eso es un largo tiempo. Esa es una buena fracción de la carrera de alguien ".
Frieman también podría estar hablando sobre el esfuerzo de la materia oscura, pero en realidad se está refiriendo a un proyecto de física completamente diferente: el telescopio Large Synoptic Survey, con sede en Chile, que continuará con la búsqueda de la energía oscura. Propuesto por primera vez en la década de 1990, ese telescopio finalmente se completará alrededor de 2022. Los astrofísicos piensan que la energía oscura ha causado que el universo se expanda a un ritmo acelerado, tan rápido que eventualmente se desgarre, en miles de millones de años a partir de ahora. Lo llaman "The Big Rip".
Las observaciones del LSST se basarán en los datos tomados por Dark Energy Survey, el proyecto que lidera Frieman, que ha monitoreado 300 millones de galaxias desde 2013. Frieman ayudó a recaudar los fondos para la cámara, software y mano de obra de DES 50 millones de dólares en los primeros años. .
Es una cantidad mediana cuando se compara con el presupuesto 2017 de la National Science Foundation de $ 8 mil millones, y el gasto acumulado de LIGO de más de $ 1 mil millones. Pero los físicos están proponiendo muchos proyectos con presupuestos similares. Xenon, por ejemplo, ha recaudado decenas de millones en los Estados Unidos y en el extranjero para sus instalaciones.
Para estas sumas, "no solo se aplica de la nada", dice el físico Giorgio Gratta de la Universidad de Stanford. Primero reclutas a un pequeño grupo de personas para que trabajen en él. Por lo general, puede obtener una pequeña subvención de su universidad para desarrollar la idea. Luego, prototipos y publicas la idea y esperas que el entusiasmo de las bases se expanda.
Lleva años. Mejor escenario posible: gana tanto impulso que los asesores científicos del gobierno recomiendan su proyecto para financiamiento. Eso es lo que realmente puede llevar un proyecto de lo teórico a lo práctico.
GRATTA LLAMA ESTE proceso de "socialización", y durante aproximadamente cinco años, lo ha estado probando mientras recauda fondos para su propia foto: una actualización experimental de $ 200 millones llamada nEXO. Espera usarlo para buscar un proceso radiactivo hipotético conocido como decaimiento beta beta sin neutrinos. Básicamente son dos neutrones en un núcleo atómico que se convierten en dos protones y dos electrones: dos partículas de materia que se convierten en cuatro, sin ninguna producción de antimateria.
Si el proceso realmente ocurre, es una de las formas en que el universo creó más materia que antimateria. Y saber eso ayudaría a responder a esa pregunta persistente: ¿Por qué existe el universo?
Gratta y sus colegas han pasado los últimos años socializando. Su grupo incluye aproximadamente 150 personas ahora, quienes han hablado del proyecto en conferencias. Han presentado un diseño, esencialmente, un cilindro de cinco toneladas de xenón líquido y una gran cantidad de productos electrónicos elaborados. Han respaldado su diseño con estudios de viabilidad sobre componentes específicos del detector.
Pero no pueden prometer a los organismos de financiación un descubrimiento. "Quiero decir, no harías el experimento si supieras cuál fue la respuesta", dice Gratta. Es posible que nunca verán la decadencia radiactiva. Pero incluso si no lo hacen, no será del todo infructuoso. Los experimentos de física a menudo producen tecnología inesperada: los investigadores de seguridad nuclear han adaptado los detectores de materia oscura para buscar material radioactivo robado, por ejemplo.
En 2015, Gratta pensó que finalmente lo logró cuando un consejo de científicos, patrocinado por la NSF y el Departamento de Energía, declaró su área de investigación como una prioridad nacional en un libro blanco.
Pero incluso con la bendición del consejo, Gratta todavía no tiene fondos. Aún no ha escrito una propuesta formal de subvención porque una agencia de financiamiento le dijo que no era el momento adecuado para hacer una consulta. Le preguntó al DOE si debería postularse hace unos tres años, y le dijeron que volviera más tarde. Indagó nuevamente este año, y le dijeron que probara alrededor de 2019.
La ciencia trata de explorar lo desconocido, dice Gratta. "¿Qué pasa si no hay nada?", Dice. "Entonces aprendimos, no hay nada". Es franco sobre la idea de que está vendiendo. Una misión, que cuesta millones y duraderas décadas, que podría responder a las preguntas más profundas del universo, o simplemente aparecer vacía.
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