Artículo publicado por Edwin Cartlidge el 17 de enero de 2013 en physicsworld.com
Unas exóticas estructuras cósmicas conocidas como paredes de dominio cósmico podrían observarse desde la Tierra midiendo el sutil efecto de campos similares a los magnéticos cuando pasan a través de nuestra galaxia. Esta es la conclusión de un equipo de físicos de Estados Unidos, Canadá y Polonia que ha propuesto una nueva forma de estudiar la naturaleza de las misteriosas materia y energía oscuras, que se cree que impregnan el universo.
El modelo cosmológico estándar actual del Big Bang asume que gran parte de la energía del universo está contenida en dos misteriosas sustancias: energía oscura y materia oscura. La materia oscura explica las anomalías en el movimiento de las galaxias, y se cree que cuenta con, aproximadamente, el 20% de la energía del universo. La energía oscura se introduce para explicar la expansión acelerada del universo, y se le otorga un 75% de la energía. Búsquedas más directas suponen que la materia oscura consta de algún tipo de partícula, mientras que, a menudo, se estima que la energía oscura aparece en forma de una “constante cosmológica” que se añade a la ecuación de campo de la relatividad general. Sin embargo, también se han propuesto otra serie de posibilidades.
Paredes de dominio
Paredes y axiones
Una idea es que la materia y energía oscuras están contenidas dentro de objetos conocidos como “paredes de dominio”. Estas estructuras se formarían dentro de un tipo exótico de campo de fuerza mediado por unas partículas subatómicas aún por descubrir, conocidas como axiones, que se propusieron originalmente en la década de 1970 como una forma de tener en cuenta el hecho de que el universo parece tener mucha más materia que antimateria. En el joven y caliente universo, la fuerza del campo habría variado aleatoriamente en el espacio, pero conforme se expandía y enfriaba el cosmos, el campo se habría fijado en valores aislados en amplias regiones. Los límites entre estas diferentes regiones serían las paredes de dominio, con el salto repentino en el campo a través de los muros dotándolos de energía.
En el último trabajo, una colaboración liderada por el teórico Maxim Pospelov de la Universidad de Victoria en British Columbia y el experimentalista Dmitry Budker de la Universidad de California en Berkeley, se propusieron establecer si podrían detectarse tales paredes usando instrumentos desde la Tierra. La idea de los investigadores es usar magnetómetros, dispositivos hechos de átomos cuyos espines están inicialmente alineados y que pueden girarse mediante un campo magnético externo. Un campo creado por axiones sería “escalar”, es decir que, al contrario que un campo magnético, no tiene una dirección del espacio preferida y, por tanto, no afectaría normalmente a la medida de un magnetómetro. Sin embargo, un cambio en la fuerza del campo, como ocurriría en una pared de dominio, afectaría a los espines de los átomos del dispositivo.
Para calcular si podría medirse este efecto, Pospelov y sus colegas supusieron que las paredes de dominio almacenarían una fracción considerable de la materia o la energía oscuras del universo. Sobre este supuesto calcularon tanto el campo magnético efectivo generado, como el tiempo que llevaría a la Tierra pasar a través de una pared, asumiendo el movimiento relativo a la red de paredes de dominio a una velocidad galáctica típica de una milésima de la velocidad de la luz. Los investigadores encontraron que, para un amplio rango de posibles valores de la masa del axión y el acoplamiento entre el campo asociado y la materia común, tanto la fuerza del campo magnético asociado como el tiempo de interacción estarían dentro de los magnetómetros modernos. También establecieron que tales interacciones tendrían lugar, al menos, una vez cada pocos años.
Observaciones relativamente raras
Como señalan los investigadores, estas observaciones, relativamente raras, serían difícilmente identificables entre el continuo ruido de fondo procedente del propio magnetómetro, su aislamiento y una variedad de fuentes externas tales como tendidos de alta tensión, vehículos que pasen cerca o incluso tormentas magnéticas en la atmósfera terrestre. La solución que proponen es crear una red de, al menos, cinco de tales dispositivos. Cuatro establecerían la velocidad y dirección de viaje de una pared que pase por ellos. Estos datos se usarían para calcular el tiempo de interacción de la pared con el quinto dispositivo. Si la predicción y medida encajan, dice Budker, “entonces puedes tener más seguridad de haber visto una pared de dominio”.
Los investigadores han estado evaluando el rendimiento de dos prototipos de dispositivos, uno situado en Berkeley, y el otro en la Universidad Jagiellonian en Cracovia. Han demostrado que pueden correlacionar las señales de las dos máquinas, y que pueden descartar una fracción significativa del ruido. Ahora esperan obtener aproximadamente unos 10 millones de dólares de patrocinio para construir la red a escala completa, con otros dispositivos potencialmente situados en la Universidad Estatal de California en East Bay, y en otras zonas de Estados Unidos y otros países.
No verlo no es un fracaso
Budker admite que la idea de las paredes de dominio es “un tanto exótica” y fuera de la corriente principal en lo que respecta a materia y energía oscuras. También reconoce que las incertidumbres teóricas dificultan saber cuáles podrían ser las posibilidades de detección. Pero mantiene que la detección no debería tomarse como la única medida del éxito. “Es muy importante darse cuenta de que, en la búsqueda de una física exótica, no ver algo no es un fracaso”, comenta. “Si descartas toda una clase de posibles modelos, entonces es un éxito”.
Joana Oliveira de la Universidad de Oporto, en Portugal, advierte que una red de paredes de dominio solo podría contribuir significativamente a la energía oscura si estuviese “frustrada”. Esto implicaría que las paredes fuesen casi estáticas entre sí, siendo su movimiento el estiramiento provocado por la expansión del universo. “La dificultad en lograr esta configuración es similar a la que existe al evitar que se disuelva la espuma de un vaso de cerveza”, señala.
Pospelov admite la dificultad de idear un modelo que pueda acumular cantidades significativas de energía oscura en las paredes de dominio. Señala que los modelos simples propuestos anteriormente contenían muy pocas paredes para lograrlo y, por tanto, está buscando desarrollar modelos más elaborados. “Para convertirse en una teoría legítima, el modelo tiene que ser consistente con lo que sabemos de la evolución del universo”, comenta.
La investigación se publica en Physical Review Letters.
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