¿Cómo pueden los cristales de azúcar revelar indicios de materia oscura?

La materia oscura es uno de los mayores misterios de la astronomía, ya que nunca se ha observado directamente, a pesar de las pruebas de su existencia. Las observaciones de la rotación de las galaxias, las lentes gravitacionales y la radiación cósmica de fondo de microondas indican que hay más masa en el universo de la que podemos observar en la materia visible. Dado que este componente no interactúa con los campos electromagnéticos, es decir, con la luz, permanece invisible para nosotros.

Por ello, se han propuesto diversos modelos teóricos para explicar la naturaleza de la materia oscura. Diferentes teorías predicen masas, interacciones y propiedades distintas para estas partículas. Entre los candidatos más conocidos para la materia oscura se encuentran las denominadas WIMP, partículas hipotéticas que interactuarían muy poco con la materia ordinaria. Además de las WIMP, se siguen investigando otras opciones, como los axiones, los neutrinos estériles y las partículas ultraligeras.

Cuando una posible partícula de materia oscura interactúa con el cristal, puede generar excitaciones detectables experimentalmente. Dado que las señales esperadas son débiles, los materiales estructurados pueden mejorar las capacidades de detección.

¿Qué es la materia oscura?

La materia oscura es un componente del universo que no emite, absorbe ni refleja luz de forma detectable, pero su presencia puede inferirse a partir de sus efectos gravitacionales. La principal evidencia de la existencia de materia oscura proviene de la dinámica de las galaxias, donde las estrellas en las regiones exteriores orbitan mucho más rápido de lo esperado. Este comportamiento indica la presencia de una cantidad invisible de masa que rodea a las galaxias en halos gravitacionales.

La materia oscura representa aproximadamente el 27 % del contenido total del universo, mientras que la materia ordinaria constituye solo alrededor del 5 %. La materia oscura también desempeña un papel importante en la formación de galaxias y cúmulos estelares. Sin su influencia gravitacional, la materia visible por sí sola no habría podido formar galaxias desde el Big Bang. Las simulaciones cosmológicas muestran que los halos de materia oscura actúan como estructuras gravitacionales donde las galaxias se forman y evolucionan.

La naturaleza de la materia oscura

A pesar de las sólidas evidencias gravitacionales, la naturaleza de la materia oscura sigue siendo desconocida. Esto impide su observación directa mediante telescopios, que dependen de la detección de luz. Hasta la fecha, la materia oscura solo se ha identificado a través de sus efectos gravitacionales sobre estrellas, galaxias y cúmulos. El principal desafío reside en que los experimentos de detección directa buscan señales extremadamente débiles y poco frecuentes.

Se han propuesto varias hipótesis para explicar la materia oscura, que involucran nuevas partículas y modificaciones de la gravedad. Entre los candidatos más conocidos se encuentran las WIMP. Otra posibilidad incluye axiones, partículas ultraligeras y modelos con neutrinos estériles. Paralelamente, algunas teorías sugieren que los efectos atribuidos a la materia oscura podrían surgir de modificaciones en las leyes de la gravedad a gran escala. Hasta la fecha, ninguna de estas hipótesis ha sido confirmada experimentalmente.

Azúcar

En un esfuerzo por estudiar la naturaleza de la materia oscura, investigadores brasileños están investigando el uso de cristales de azúcar como detectores en la búsqueda de esta materia. Estos cristales poseen una alta concentración de hidrógeno, que se forma a partir de núcleos ligeros, lo que favorece la transferencia de energía en colisiones con posibles partículas de materia oscura. Otra ventaja es su capacidad para operar a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Los cristales están conectados a sensores capaces de registrar variaciones térmicas. Cuando una posible partícula de materia oscura atraviesa el cristal, puede transferir energía a la red cristalina. Esta energía genera vibraciones microscópicas, produciendo un pulso térmico que los sensores pueden detectar. En algunos casos, la interacción también puede generar emisión de luz. La relación entre la señal térmica y la luz emitida depende del tipo de partícula involucrada en la interacción.

¿Cómo funciona?

Según el nuevo estudio, la idea es utilizar cristales de azúcar como detectores de eventos raros para buscar posibles interacciones de materia oscura. Los cristales se enfrían a bajas temperaturas, cercanas al cero absoluto, ya que esto reduce el ruido térmico. En estas condiciones, la energía depositada por las partículas se vuelve detectable. Los sensores registran simultáneamente las señales térmicas y luminosas generadas durante la interacción.

La comparación de estas dos señales nos permite distinguir los eventos físicos reales del ruido de fondo causado por la radiación ambiental. Actualmente, la técnica aún está en desarrollo y se requieren calibración y optimización de varios parámetros. Uno de los principales desafíos es determinar el umbral mínimo de energía que el detector puede registrar con precisión. Si se confirma el rendimiento experimental, los cristales podrían integrarse en futuros detectores de materia oscura.

Referencia de la noticia

Bento et al. 2026 The SWEET Project: Probing Sugar Crystals for Direct Dark Matter Searches IEEE Transactions on Applied Superconductivity