La cerca de la matèria fosca ha estat un dels sants grials de l’astrofísica i la física en general des dels principis dels anys 30 del segle passat. Tot va començar quan l’astrònom suís Fred Zwicky, que treballava al California Institute of Technology, va determinar a partir de les seves observacions del cúmul de galàxies de Coma, que per mantenir juntes les galàxies del cúmul, caldria molta més massa que la que ell podia veure. En concret va calcular que calien 400 vegades més de matèria invisible que de matèria visible per generar el camp gravitatori necessari a l’equilibri gravitacional de Coma. Ell va anomenar aquesta matèria invisible com a Dunkle Materie, o sigui matèria fosca en català, però no va considerar aquesta matèria com quelcom diferent de la matèria normal, sinó únicament matèria que no emetia llum.

Les sospites de l’existència d’aquesta matèria fosca es van veure confirmades els següents anys, molt particularment amb les nombroses mesures de les corbes de rotació de les galàxies. Ja el 1939, amb la mesura feta a la gran galàxia d’Andròmeda, la bessona de la nostra Via Làctia, es va veure que la velocitat de rotació dels estels al voltant del centre de la galàxia no disminuïa a mesura que l’estel era més lluny del centre sinó que es mantenia més o menys constant. Durant els anys 60 i 70, l’astrònoma americana Vera Rubin va confirmar el que s’havia vist amb Andròmeda, en un seguit de mesures de corbes de rotació de galàxies de tota mena. Rubin va presentar els seus resultats el 1980, en un article seminal, i aquests suggerien que, o bé que la gravetat no s'aplica universalment o bé que, de manera conservadora, més del 50% de la massa de les galàxies està continguda en un halo galàctic relativament ric en matèria fosca.

Però la natura d’aquesta matèria fosca no estava gens clara fins que es va estudiar el fons de radiació de microones, la radiació residual provinent dels instants inicials de l’Univers després del Big Bang. L’estructura d’aquesta radiació, en particular les petites pertorbacions que hi apareixen i que són la base per les grans estructures que veiem avui en dia en l’Univers com els cúmuls de galàxies, només es poden explicar si hi ha un component de matèria unes 5 vegades més nombrós que la matèria ordinària i que no està composta per barions, és a dir el que conforma els àtoms que ens constitueixen a nosaltres i a tota la matèria que coneixem. L’estudi detallat del fons de radiació de microones va descartar qualsevol les teories de la gravitació modificades i va en canvi donar un gran suport a què la matèria fosca sigui una matèria fosca freda, és a dir que es mou lentament comparada a la velocitat de la llum i poca interacció tant amb la matèria ordinària com amb la radiació electromagnètica.

Tot i que, a més de les corbes de rotació i del fons de radiació de microones, hi ha nombroses altres manifestacions indirectes dels efectes de la matèria fosca, el fet de no poder observar-la directament ha impedit poder identificar exactament de què està composta. S’han proposat diversos candidats que podrien explicar les observacions, però la majoria no estan contemplats en la teoria estàndard de la física de partícules, una de les teories més exitoses de la física moderna juntament amb la teoria de la relativitat general. Entre aquests candidats hi ha els axions, una partícula superlleugera hipotètica creada el 1977 per netejar els problemes de la cromodinàmica quàntica, i els WIMPs o partícules massives d’interacció feble sorgides de les teories de supersimetria. Aquesta proposa que per a cada partícula coneguda, existeix una partícula associada amb diferents propietats d'espín, però que no s’ha pogut provar mai que existeixi realment. Totes les recerques que s’han fet en els acceleradors de partícules com el del CERN, per trobar axions o WIMPs han resultat infructuoses i fins i tot han portat a repensar de cap a peus les diferents teories que donen peu a aquestes partícules hipotètiques.

Tot això podria canviar a partir d’un estudi publicat recentment per Tomonori Totani de la Universitat de Tokyo. L’estudi analitza 15 anys d’observació de la nostra galàxia pel telescopi de raig-gamma Fermi de la NASA i posa en evidència un excés de radiació gamma d’una energia de 20 GeV i amb una distribució que seria completament compatible amb l’halo de la Via Làctia, seguint un perfil similar al que s’esperaria de la matèria fosca que s’hi podria trobar. Totani descarta les fonts habituals que serien generadores d’aquesta radiació gamma i proposa que aquest excés sigui el resultat de col·lisions entre WIMPs d’unes 500 vegades la massa d’un protó, que serien el component principal de la matèria fosca. Es tractaria doncs de la primera observació directa de la matèria fosca, o almenys de la seva aniquilació.

Si realment Totani està en el cert, es tractaria d’un dels descobriments més transcendentals de la història de la física i permetria de fer un salt enorme en el nostre coneixement de l’Univers tant a nivell macroscòpic com a nivell microscòpic. D’aquí a què sigui molt necessari confirmar de manera independent l’anàlisi efectuada en l’estudi i les seves conclusions, així com obtenir noves observacions que permetin confirmar que no estem davant un artefacte degut a l’instrument utilitzat o del lloc observat. Caldrà doncs observar si podem detectar emissions similars en altres galàxies, utilitzant altres instruments i asseverar que el seu origen és realment de WIMPs de matèria fosca i no d’altres fonts astrofísiques. També caldrà que els físics de partícules, tant teòrics com experimentals puguin veure si es poden encabir aquests WIMPs en les teories existents o com s’han de modificar i si són observables d’alguna manera sigui amb els instruments actuals o amb instruments futurs.

No sabem, doncs, ara mateix, si Totani és un futur premi Nobel o no. No seria el primer cop que un resultat que semblava prometedor no resisteix l’escrutini posterior i acaba en no res. Però el que no es pot negar és que ja ha tingut un efecte revitalitzador en un camp que semblava estancat per la falta de noves direccions en les que buscar. Esperem que, encara que Totani no hagi trobat el grial que buscava, aquest impuls permeti avançar decididament i que finalment arribem a posar llum a la matèria fosca.