La matèria fosca és un dels grans misteris de l’univers. No emet ni reflecteix llum, però la seua existència es dedueix pels efectes gravitatoris que exerceix sobre la matèria visible: influeix en la rotació de les galàxies, desvia la llum i condiciona l’estructura a gran escala del cosmos. S’estima que representa prop del 85% del total de la matèria.

Encara que s’ha intentat detectar-la durant dècades, les seues partícules continuen sense identificar-se. La majoria de teories proposen que estan formades per WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), que quasi no interactuen amb la matèria normal. Aquesta naturalesa esquiva ha portat a explorar diferents estratègies per analitzar-les: produir-les en colisionadors, captar-les en detectors subterrànis o cercar senyals indirectes a l’espai.

La cerca no ha donat resultats concloents, per la qual cosa es necessiten noves idees i tecnologies més sensibles. Els models que prediuen partícules com l’Higgsino, com el que s’explora en un estudi coliderat per l’investigador José Zurita, de l’Institut de Física Corpuscular (IFIC), centre mixt del CSIC i la Universitat de València, ofereixen vies prometedores per detectar aquestes subtils senyals que podrien revelar la naturalesa de la matèria fosca.

Grans reptes i solucions

Un dels grans reptes en la cerca de matèria fosca és que, si realment està formada per partícules com l’Higgsino, predicha per algunes extensions teòriques del Model Estàndard de la física de partícules, les seues senyals en els detectors actuals serien extremadament febles, fins al punt de passar desapercebudes en els experiments actuals.

En alguns models teòrics es planteja l’existència de diverses partícules dins del que s’anomena “sector fosc”, una mena d’univers paral·lel les components del qual interactuen molt feblement amb la matèria coneguda. Aquestes partícules podrien estar relacionades entre si mitjançant forces pròpies, diferents de les del món visible.

Una característica comuna en aquests escenaris és que les partícules fosques tindrien masses molt similars entre si, cosa que complica la seua detecció. Quan una d’elles, lleugerament més pesada, es desintegra en una altra més estable, possible candidata a matèria fosca, només allibera una quantitat mínima d’energia, sovint en forma d’una traça feble o d’una partícula lleugera com un pió.

Aquest tipus de senyal és tan feble que, en colisionadors actuals com el Gran Colisionador d’Hadrons (LHC) del CERN, sol perdre’s entre el “soroll” d’altres interaccions, ja que els pions solen ser productes secundaris comuns en col·lisions de partícules més pesades. En aquest context, però, poden ser una de les poques empremtes visibles que denuncien l’existència del sector fosc. Per això, detectar pions de baixa energia, encara que complex, pot ser clau per descobrir noves partícules i avançar en la cerca de la matèria fosca.

El nou treball coliderat per l’IFIC proposa un enfocament innovador: aprofitar les condicions més netes i controlades d’un possible colisionador de muons, una infraestructura encara en fase de disseny, però que guanya cada vegada més suport i entusiasme dins de la comunitat internacional. Aquest tipus de colisionador permetria registrar amb més precisió aquestes traces febles que avui resulten invisibles.

“El pure Higgsino ha estat considerat tradicionalment com un objectiu per a futurs acceleradors, com el Future Circular Collider (FCC-hh) o un colisionador de muons. En ambdós casos, s’espera que aquesta partícula es manifeste com una traça carregada que desapareix sobtadament en desintegrar-se en una partícula neutra, el neutralí, i un pió de baixa energia, que normalment es descarta”, explica Zurita.

Així, els investigadors han demostrat que és possible abordar l’existència de l’Higgsino mitjançant l’anàlisi dels productes de la seua possible desintegració. En particular, una de les partícules involucrades en el procés, el chargino, es desintegraria en un neutralí més un pió de baixa energia. Són aquests pions de baixa energia els que deixen unes “soft tracks” o “traces febles” que podrien ser detectades en els colisionadors de muons, més sensibles a partícules de tan baixa energia.

Aquesta cerca de l’Higgsino té un gran interès perquè podria, com diem, confirmar un escenari teòric capaç d’explicar la matèria fosca. En particular, el neutralí, partícula molt estable i amb una interacció molt feble amb la matèria ordinària, podria ser un dels ingredients, si no l’únic, de la matèria fosca que copa l’univers.

Encara que la proposta depén del desenvolupament futur de detectors d’alta sensibilitat, obri una via realista per explorar regions de l’univers subatòmic que han quedat fora de l’abast experimental. A més, reforça el cas científic per apostar pels colisionadors de muons com a eina clau en la física de partícules del futur.

El futur dels nous colisionadors

El treball no només obri una via realista per detectar matèria fosca, sinó que també reforça el cas científic per construir nous colisionadors de partícules, com el proposat colisionador de muons, una infraestructura que guanya impuls entre les prioritats de la comunitat internacional.

En els últims anys, la possibilitat de construir un colisionador de muons ha passat de ser una idea teòrica a convertir-se en una de les opcions més estudiades per al futur de la física d’altes energies. El seu principal atractiu radica en què els muons, en ser unes 200 vegades més pesats que els electrons, poden assolir energies molt altes sense emetre tanta radiació com aquests, la qual cosa permetria construir acceleradors més compactes que els colisionadors d’electrons i positrons, i més nets que els colisionadors de protons, com el LHC. Aquest entorn més controlat seria ideal per cercar senyals subtils, com les que produiria la matèria fosca.

Organismes com el Panel de Priorització de Projectes de Física de Partícules dels EUA (P5) ja han reconegut recentment el potencial estratègic d’aquesta tecnologia. A més, la creació de la Muon Collider Collaboration, una xarxa internacional de centres d’investigació i experts en acceleradors, marca l’inici d’un programa ambiciós per avaluar la seua viabilitat tècnica i científica.

En aquest context, treballs com el liderat per l’IFIC resulten fonamentals, ja que no sols proposen mètodes concrets per aprofitar les capacitats úniques d’aquests colisionadors, sinó que també aporten objectius clars i mesurables per orientar-ne el desenvolupament. La seua implementació seria clau “no sols per a la cerca de matèria fosca, sinó per a altres misteris actuals com l’origen de la massa dels neutrins, o la mesura precisa de les propietats del bosó de Higgs, l’asimetria entre matèria i antimatèria…”, explica Zurita, qui, per tot això, defensa fer el salt a aquesta nova generació de colisionadors.

El treball ha estat realitzat per un equip internacional que combina experiència en teoria i fenomenologia de partícules: José Zurita (IFIC, CSIC–Universitat de València), Federico Meloni (DESY, Alemanya) i Rodolfo Capdevilla (Fermilab, Estats Units). L’estudi, publicat a la revista Physical Review Letters, proposa el mètode innovador que ací es detalla per identificar senyals extremadament febles en certs models teòrics de matèria fosca. La proposta és fruit d’una línia d’investigació que explora senyals difícils de detectar, però amb gran potencial per revelar la naturalesa de la matèria fosca.

Referències:

R. Capdevilla, F. Meloni, and J. Zurita. Discovering Electroweak Interacting Dark Matter at Muon Colliders using Soft Tracks. Phys. Rev. Lett.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.181802

R. Capdevilla, F. Meloni, R. Simoniello, and J. Zurita. Hunting wino and Higgsino dark matter at the muon collider with disappearing tracks, JHEP 06. DOI: 10.1007/JHEP06(2021)133