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Que la Fuerza te acompañe, en su nuevo formato que no necesita frío

Existe a nuestro alrededor algo que mantiene unido el universo, aunque no podamos verlo ni tocarlo. A los prosélitos de Star Wars esta definición les recordará a ese gran icono de la saga galáctica, la Fuerza, de no ser porque, en la segunda trilogía, George Lucas decidió masacrar impunemente el mito (este y otros) al rebajarlo a algo parecido al colesterol en sangre, lo que hace sospechar que en la próxima trilogía quizá la Fuerza podrá adquirirse como la poción mágica de Astérix, bebiendo una botellita de algo parecido al Danacol que podría anunciar en TV un pariente galáctico de Vicente del Bosque. Pero volviendo al tema: en el caso de la física real, hablamos de la materia oscura, un componente que suma en torno al 26,8% del cosmos y de cuya presencia sabemos por el efecto gravitatorio que induce en lo que sí podemos ver. La materia oscura es, por decirlo llanamente, una especie de apaño cosmológico, un parche que mantiene turgente el globo de la astrofísica.

Sobre la naturaleza de esta materia enmascarada, como sucede con los superhéroes, se han propuesto varias identidades. Parece probable que no se trata de materia ordinaria, la que los físicos denominan bariónica; es decir, átomos, como los que forman todo lo que vemos en nuestra realidad cotidiana. La partícula candidata parece reunir al menos tres características: no emitir ni absorber luz, no tener carga eléctrica, y relacionarse con otras partículas solo por fuerza gravitatoria y, si acaso, por una fuerza nuclear llamada débil.

Por otra parte, los físicos especulan si la materia oscura es caliente, templada o fría, o alguna combinación de ellas. En términos sencillos, se diferencian en la velocidad inicial de sus partículas en el universo: a más grandes, más lentas. El principal candidato de la materia oscura caliente es el neutrino, una partícula muy pequeña, mientras que para la fría se ha propuesto una partícula todavía hipotética llamada Partícula Masiva de Interacción Débil, o WIMP por sus siglas en inglés. La materia oscura fría es la que recibe más atención por parte de los físicos, ya que se considera que los neutrinos, candidatos de la materia oscura caliente, con una masa menor de 1 electronvoltio (eV), son demasiado pequeños como para formar estructuras densas que presten al universo la cohesión que observamos.

Impresión artística de la esperada distribución de la materia oscura (coloreada en azul) alrededor de la Vía Láctea (en el centro). ESO/L. Calçada.

Impresión artística de la esperada distribución de la materia oscura (coloreada en azul) alrededor de la Vía Láctea (en el centro). ESO/L. Calçada.

Uno de los candidatos que se ha venido barajando como posible constituyente de la materia oscura es una partícula hipotética conocida como neutrino estéril. Se trataría de una partícula que carece de interacción por fuerza nuclear débil, por lo que solo se relaciona con sus semejantes a través de la gravedad. Los neutrinos estériles, más grandes que los normales, podrían solucionar los problemas de la materia oscura caliente ofreciendo la tercera posibilidad: materia oscura templada. Es decir, partículas medianamente masivas y medianamente rápidas. El problema es que, de acuerdo a sus características, los neutrinos estériles deberían desintegrarse produciendo una señal de rayos X que hasta ahora no se había observado.

En febrero de este año, los telescopios espaciales Chandra de la NASA y XMM-Newton de la Agencia Europea del Espacio (ESA) detectaron señales de rayos X sin identificar, procedentes, entre otros, de la galaxia de Andrómeda y del cúmulo de Perseo, y que encajan con la desintegración de un neutrino estéril con una masa de 7.000 eV, o 7 keV, según el físico de la Universidad de California en Irvine (EE. UU.) Kevork Abazajian. “Ahora hay una señal de rayos X consistente con materia oscura de neutrinos estériles que mis colegas y yo ya pronosticamos que podría estar ahí en 2001“, expone el científico a Ciencias Mixtas.

Las predicciones de neutrinos estériles hasta ahora se habían topado con piedras en el camino, como una temperatura aún no lo suficientemente fría (es decir, una masa demasiado pequeña) para explicar la cohesión de las galaxias y cúmulos. Sin embargo, Abazajian cree haber superado este obstáculo, proponiendo para los neutrinos estériles un mecanismo de formación, endemoniadamente llamado Efecto Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein (MSW), que en términos simples modifica la oscilación de los neutrinos, haciéndolos comportarse como si su masa fuera mayor. En estas condiciones, el modelo matemático empleado por Abazajian hace cuadrar algunos problemas pendientes en la formación de las galaxias que no terminan de encajar en el modelo de materia oscura fría, como “la densidad central de las galaxias satélites del Grupo Local de galaxias”, al que pertenece nuestra querida Vía Láctea.

La galaxia de Andrómeda en dos imágenes combinadas de infrarrojo (en naranja), tomada por el telescopio espacial Herschel, y en rayos X (en azul), tomada por el telescopio espacial XMM-Newton. ESA/Herschel/PACS/SPIRE/J. Fritz, U. Gent; X-ray: ESA/XMM Newton/EPIC/W. Pietsch, MPE.

La galaxia de Andrómeda en dos imágenes combinadas de infrarrojo (en naranja), tomada por el telescopio espacial Herschel, y en rayos X (en azul), tomada por el telescopio espacial XMM-Newton. ESA/Herschel/PACS/SPIRE/J. Fritz, U. Gent; X-ray: ESA/XMM Newton/EPIC/W. Pietsch, MPE.

“El objetivo del estudio era comprobar qué tipo de materia oscura es consistente con la señal de rayos X detectada. Es decir, si la materia oscura generada por resonancia [el Efecto MSW] es relativamente caliente, templada o fría. Mis resultados muestran que la señal está exactamente donde el mecanismo de producción resonante impone un tope en la formación de galaxias precisamente en el punto preferido por las observaciones y teorías de formación de galaxias”, explica Abazajian.

Con todo, el físico no cree que su estudio, publicado en la revista Physical Review Letters, dé el asunto por zanjado. “No creo que haya pruebas de la existencia de los neutrinos estériles, ni que la ciencia pruebe nada. Es un proceso de acumulación de indicios a favor o en contra de un modelo. Hay indicios significativos de una señal que podría proceder de materia oscura de neutrinos estériles, y es interesante que los parámetros proporcionen las propiedades adecuadas para la formación de galaxias”.

Abazajian piensa que “la discusión estaría resuelta en su mayoría” cuando se obtengan indicios adicionales, alguno de los cuales, opina, llegará “posiblemente el próximo año”. Entre ellos, el físico menciona la comprobación de “su presencia en varios tipos distintos de objetos de materia oscura en el cielo (galaxias enanas, galaxias de campo [aisladas], cúmulos…)”, o una determinación precisa de si los datos cuadran con el perfil de densidad de la materia oscura. Sin embargo, el investigador es optimista y piensa que sus resultados se confirmarán: “Si se verifica que la señal de rayos X es materia oscura, mis cálculos se convertirán en la base para entender cómo esta materia oscura afecta a la formación de galaxias en el modelo cosmológico estándar”.

¿Qué ocurrirá entonces cuando George Lucas escuche que la materia oscura no necesita frío? Quizá a partir de ahora los jedis puedan encontrar sus botellitas de la Fuerza, que se conservan fuera del frigorífico, en los lineales de leche del súper.

Los físicos consiguen parar la luz; así, tal cual

A primera pensada, diríase que parar la luz es un problema trivial: basta con una sombrilla. Pero lo cierto es que ese objeto –como cualquier otro– no detiene la luz, sino que la desvía. El hecho de que la sombrilla sea visible a nuestros ojos se debe precisamente a que una parte de la luz, la que rebota, envía rayos que estimulan los receptores de nuestra retina, unas neuronas especiales llamadas bastones y conos, y estas convierten la señal luminosa en un impulso electroquímico que cabalga por el nervio óptico hasta nuestro cerebro.

La luz es infatigable; nunca se detiene, sino que rebota frenéticamente a nuestro alrededor desde la sombrilla a otros cuerpos como en una vertiginosa máquina de pinball. Algo de lo que casi todo el mundo es consciente, sepa de ciencia o no, es que la luz se mueve tremendamente deprisa. De hecho, y al menos hasta la fecha presente, nada ha viajado más rápido. Medida en el vacío, la luz avanza a 299.792.458 metros por segundo, un valor constante de la física universal que se denota con la letra “c” y que en la famosa ecuación de Einstein convierte la materia en energía. En términos más pantufleros, la velocidad de la luz es de algo más de 1.000 millones de kilómetros por hora.

Sin embargo, no toda la luz que incide en la sombrilla rebota, o se refleja; una parte de ella se queda. Si la sombrilla es roja, significa que únicamente refleja la luz de ese color, y absorbe el resto. Pero ¿qué ocurre con los colores absorbidos? ¿La sombrilla los detiene? Tampoco en este caso es así. Cuando un objeto absorbe luz, esta se destruye como tal: la energía de sus fotones se transfiere a los electrones de la materia, y el resultado de esta conversión es que la sombrilla se calienta, más cuanta más luz absorbe, lo que sucede cuanto más oscura es. En el ojo, según lo explicado, la luz se transforma en una señal eléctrica y química. Algo similar ocurre en la hoja de una planta, donde la clorofila refleja el verde y absorbe los rojos y azules. La energía de la luz dispara una cadena de saltos de electrones que desembocan en la excreción de un producto de desecho llamado oxígeno; es lo que conocemos como fotosíntesis, una maravilla de la naturaleza que nos permite respirar.

Así pues, parar la luz suena a poco más que metáfora de poema cursi, como atesorar un rayo de luna, enjaular un amanecer o agarrar un suspiro. Y sin embargo, el concepto real de detener y almacenar la luz es una meta que los físicos persiguen no solo como proeza técnica, sino por sus previsibles aplicaciones prácticas, como la posibilidad de cosechar la luz para aumentar la eficiencia de los paneles solares, o la mejora de dispositivos como nanoláseres y biosensores, o incluso la creación de nuevos sistemas de telecomunicaciones radicalmente alternativos a los actuales.

Sin embargo, hasta ahora los físicos se han encontrado con el problema de que, al tratar de detener la luz, su información puede conservarse, pero ya no es luz. El pasado año, un equipo de científicos de la Universidad Técnica de Darmstadt, en Alemania, empleó un método llamado Transparencia Inducida Electromagnéticamente (TIE) para detener la luz durante un larguísimo minuto y luego reactivarla. La técnica consistía muy básicamente en conseguir que un cristal se volviera temporalmente transparente a ciertas frecuencias. Sin embargo, lo que lograba este proceso era más bien almacenar la información de la luz en una propiedad de los electrones de los átomos llamada espín. Otra dificultad añadida es que parte de la luz se dispersa y que, además, estos procedimientos requieren condiciones raras para un uso práctico, como temperaturas gélidas.

Esquema del sistema utilizado para guiar y detener los pulsos de luz. K. L. Tsakmakidis et al., Phys. Rev. Lett. (2014).

Esquema del sistema utilizado para guiar y detener los pulsos de luz. K. L. Tsakmakidis et al., Phys. Rev. Lett. (2014).

Ahora, físicos del Imperial College de Londres y de la Universidad de California en Berkeley (EE. UU.) dicen saber cómo hacerlo. Los investigadores han demostrado teóricamente que pueden atrapar y detener la luz empleando como trampa una especie de alargado canapé formado por una tira de silicio entre dos finas rebanadas de metal. Este peculiar sándwich, técnicamente conocido como guía de onda plasmónica, consigue que la luz se comporte de forma exótica, obligándola a retroceder, frenándola y embridándola hasta parar los fotones en seco.

“Queríamos resolver este difícil problema: ¿cómo diseñar una estructura práctica que permita una deceleración extrema de la luz y su posterior localización sin las trabas de los mecanismos reales como las pérdidas y la aspereza de la superficie, que casi siempre impiden una verdadera parada de la luz?”, plantea el director del estudio publicado en la revista Physical Review Letters, Ortwin Hess. “Hemos estado trabajando en este problema durante más de seis años”, señala. “Esto es lo que hemos conseguido resolver: hemos encontrado una configuración sorprendentemente simple, una heteroestructura metal-dieléctrico-metal, ampliamente utilizada en nanoelectrónica y nanofotónica, que localiza y detiene por completo una secuencia de pulsos de luz, incluso en presencia de todos estos fenómenos de la vida real”, explica Hess.

El primer autor del estudio, Kosmas Tsakmakidis, revela la clave del éxito de su procedimiento, que ha funcionado en rigurosas simulaciones de ondas: “Encontramos la manera de excitar limpiamente un tipo especial de modo de luz guiada en esta estructura que resulta ser notablemente resistente a las pérdidas y a los efectos de la aspereza de la superficie”. Así, los investigadores logran que el proceso de frenado se lleve a cabo sin pérdidas y sin que los fotones dejen de ser tales. En palabras de Hess, “esto es lo que llamamos verdadera parada de la luz, ya que ahora, a diferencia de previos abordajes que mapeaban los pulsos de luz en excitaciones estacionarias de espines atómicos, tenemos los propios fotones inmovilizados. Esto es extremadamente difícil de lograr y, que sepamos, es la primera vez que se demuestra”.

Los físicos trabajan ahora en el perfeccionamiento del sistema para aumentar el tiempo de parada de cara a las posibles aplicaciones de la estructura. Según Hess, “la luz ultralenta y parada en estructuras tan simples puede ofrecer células solares fotovoltaicas más eficientes en absorción de luz. A un nivel más fundamental, esperamos que permita conseguir fuentes de fotón único más eficientes”, un tipo de problema técnico con enormes aplicaciones en campos como la computación cuántica.