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Una posible quinta fuerza haría improbable la detección de la materia oscura
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Nadie sabe exactamente qué podría ser la "quinta fuerza" pero unos estudios han demostrado que, si existe una quinta fuerza de largo alcance, podría tener
efectos sorprendentes sobre la formación de las estructuras del universo. Una quinta fuerza podría reducir las discrepancias entre la teoría y la observación en
distintas áreas de la cosmología
Ahora, como ha demostrado una nueva investigación, una quinta fuerza podría estar conectada a la
materia oscura. En un artículo publicado en
Physical Review Letters, los físicos Jo Bovy y Glennys Farrar quedaron sorprendidos al descubrir que una quinta fuerza en el sector oscuro podría
colocar restricciones sobre la materia oscura que podrían básicamente excluir su detección directa a través de interacciones independientes del espín.
Inversamente, si futuros experimentos detectan interacciones de materia oscura independientes del espín, entonces cualquier quinta fuerza en el sector oscuro
sería tan débil que se haría astrofísicamente irrelevante.
"Nuestro estudio demuestra que podemos restringir fuertemente algunas propiedades de la materia oscura, es decir, la combinación de su interacción con el
sector visible y la fuerza de una quinta fuerza de largo alcance entre las partículas de materia oscura, a través de experimentos con materia común", dijo Bovy,
estudiante de doctorado en la Universidad de Nueva York, a PhysOrg.com. Sobre qué escenario parece más probable -una quinta fuerza que excluya la
detección directa de materia oscura, o una detección directa de materia oscura que excluya una quinta fuerza relevante- Bovy y Farrar dijeron que es imposible
decirlo de antemano. "Ambos serían muy interesantes tanto teóricamente como desde el punto de vista de las observaciones", dijo Bovy.
Anteriores investigaciones han sugerido la posibilidad de que existiera una quinta fuerza atractiva de largo alcance, la cual surge en varias extensiones del
Modelo Estándar. Aunque la mayor
parte de los modelos de materia oscura predicen que la fuerza entre las partículas de materia oscura es una fuerza de corto alcance, otros modelos tales como la
Súpersimetría y la
Teoría de Cuerdas, permiten la
existencia de un bosón muy ligero que podrá transportar una fuerza de largo alcance en el sector oscuro.
En el estudio actual, la teórica quinta fuerza una fuerza atractiva no gravitatoria de largo alcance se acoplaría directamente con la materia oscura pero no con
la materia visible común. No obstante, si las partículas de materia oscura interactuasen de forma no gravitatoria con la materia común, las correcciones cuánticas
harían que la quinta fuerza surgiera en el sector visible también. Esta corrección cuántica tiene lugar cuando dos partículas virtuales de materia oscura se acoplan
al escalar de la quinta fuerza y a dos quarks.
"Nuestro estudio revela una hasta ahora conexión no conocida entre las interacciones de la materia oscura con la materia común, y las propias
auto-interacciones entre materia oscura", dijo Farrar, profesor de física y Director del Centro de Cosmología y Física de Partículas de la Universidad de Nueva
York.
Como explican Bovy y Farrar en su estudio, para ser astrofísicamente relevante (es decir, en el orden de la fuerza gravitatoria), el portador de la quinta fuerza
debe tener un valor esperado de vacío del orden de la
masa de Planck. A su vez, esto requiere que la
materia oscura sea muy pesada en la mayor parte de escenarios. En los experimentos de detección directa, los científicos buscaban materia oscura observando
las partículas de materia común retrocediendo debido a que son dispersadas por las partículas de materia oscura. Cuando la masa de las partículas de materia
oscura se incrementa, el límite en el acoplamiento de la materia oscura y los quarks se hacen más restrictivos, provocando que la detección directa de la materia
oscura sea más difícil.
Aparte de sus implicaciones en la detección directa de la materia oscura, también se ha teorizado que una quinta fuerza tendría impacto en la formación de
estructuras a gran escala. Si la quinta fuerza fuese atractiva y tuviese un alcance muy grande, incrementaría de forma efectiva la fuerza de la interacción
gravitatoria, y de esta forma aceleraría la formación de estructuras. Como han demostrado estudios anteriores, tal fuerza podría reducir las discrepancias entre
observaciones y predicciones en varias áreas, tales como el incremento de la cantidad de
cúmulos galácticos y supercúmulos y la reducción de los vacíos, lo
cual encajaría mejor con las observaciones.
Tal y como explican los científicos, los impactos de una posible quinta fuerza no afirman su existencia, pero motiva a los investigadores a explorar sus
implicaciones.
"Jo Bovy y yo estamos observando cuáles son las restricciones análogas, entre las posibles señales de aniquilación de materia oscura (buscadas por los satélites
Fermi-GLAST y otros experimentos como PAMELA y ATIC) y una quinta fuerza", dijo Farrar. "También, en colaboración con otros, estoy estudiando los
efectos en la cosmología de una fuerza de materia oscura de largo alcance e intentando mejorar las restricciones sobre ella en el
Cúmulo Bala".
Bovy añadió que también está investigando las implicaciones de fuerzas atractivas de corto alcance entre partículas de materia oscura, lo cual podría permitir la
detección de aniquilación de materia oscura en las galaxias satélite de la Vía Láctea.
Fuente: Astro Web. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard
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