En la actualidad, los físicos creen que la mayoría de la materia oscura del universo está compuesta por partículas individuales, y que tienen el desafío de determinar qué tipo de partículas son

Una nueva investigación, sin embargo, da un vuelco a este supuesto y dice que los datos observacionales y experimentales se explican mejor si la materia oscura existe en forma de partículas compuestas de átomos formados de protones y electrones oscuros que se rigen por un equivalente en la materia oscura de la fuerza electromagnética.

Se cree que la materia oscura constituye más del 80% de la materia en el universo. Como indica su nombre, la materia oscura no se revela por la emisión de luz, ya que no interactúa a través del electromagnetismo. En cambio, su existencia se infiere debido a sus efectos gravitatorios sobre la materia normal.

La candidata favorita de los físicos para ser la materia oscura es una amplia clase de partículas llamadas WIMPs (weakly interacting massive particles, partículas masivas de interacción débil), que interactúan a través de la fuerza nuclear débil. Las WIMP encajan con gran parte de la evidencia observacional de la materia oscura, pero siguen habiendo dos anomalías. Una es el hecho de que los modelos de WIMP predicen que la materia oscura debe agruparse gravitacionalmente en cualquier escala de longitud, desde galaxias hasta sub-estructuras galácticas mucho más pequeñas. Sin embargo, no es lo que se observa: los astrónomos no han observado estructuras de materia oscura más pequeñas que unos 400 años luz de diámetro.

Y luego está DAMA

El segundo problema se refiere a los resultados de los experimentos en la Tierra, creados para detectar las partículas de materia oscura directamente al colisionar con los núcleos de la materia ordinaria. Uno de esos experimentos colaborativos, DAMA, ubicado en el laboratorio del Gran Sasso en Italia, ha generado controversia al afirmar que se han recogido pruebas muy fuertes de materia oscura en su detector. Desfortunadamente, los resultados de DAMA no se pueden interpretar como colisiones de WIMPs sin que parezca que contradicen fuertemente una serie de experimentos en todo el mundo.

Ahora, David Kaplan y sus colegas de la Universidad Johns Hopkins en los EEUU, dicen que estos dos problemas se podrían superar si la materia oscura no se compone de partículas fundamentales individuales, sino que está formada en gran parte de «átomos» compuestos. Estos átomos estarían formados por el equivalente de protones y electrones en la materia oscura, unidos por un equivalente de la fuerza electromagnética, y estarían acompañados de una cierta cantidad de átomos ionizados, en otras palabras, electrones y protones libres.

Los investigadores señalan que la existencia de estas partículas cargadas habría alterado la evolución de la materia oscura en el universo primitivo. Las WIMPs, siendo partículas sin carga, se habrían desvinculado de la radiación normal a menos de 1 segundo después del Big Bang, mientras que la materia oscura atómica, con su parte ionizada, se habría mantenido en equilibrio térmico con la radiación oscura durante los primeros 20 minutos. El universo, por lo tanto, se expandió a un tamaño determinado antes de que ocurriera una aglutinación gravitatoria, determinando el tamaño de las estructuras más pequeñas de materia oscura que vemos hoy.

Las colisiones inelásticas

Para explicar la discrepancia entre DAMA y otros experimentos, Kaplan y sus colegas se basan en una idea formulada por Neal Weiner y David Tucker-Smith en 2001. Weiner y Tucker-Smith propusieron que las colisiones detectadas por DAMA son inelásticas, que parte de la energía cinética se pierde porque en la colisión las partículas de materia oscura absorben la energía para convertirse en algo un poco más masivo, y que es mucho más probable que estas colisiones que reducen la energía se produzcan con el detector en DAMA de yoduro de sodio, relativamente pesado, que con, por ejemplo, silicio y germanio, de los que está hecho el detector CDMS en los EEUU. El grupo de Kaplan, por otra parte, dice que esta pérdida de energía se explica porque los átomos de materia oscura que ingresan saltan un nivel de energía cuando chocan, más que a causa de la creación de nuevas partículas que se ha postulado específicamente para este proceso.

Los investigadores admiten que hay una «tensión» dentro de su modelo, porque la explicación de la estructura faltante en el universo requiere una parte mayor de átomos oscuros ionizados para que haya coincidencia con los resultados experimentales. Pero dicen que esta diferencia se puede resolver si la materia oscura atómica y ionizada forma halos diferentes dentro de las galaxias.

Christopher Wells, colega de Kaplan, admite que su propuesta es especulativa, pero que ésta tiene el beneficio adicional de poner a la materia oscura más en consonancia con la materia ordinaria que conocemos.

De hecho, dicen que los átomos de hidrógeno oscuro podrían unirse para formar moléculas de hidrógeno, y que la formación de estas moléculas puede conducir a la creación de «estrellas oscuras» u otros objetos compactos. Ellos añaden que la interacción de los fotones oscuros con los fotones ordinarios podría dar lugar a líneas de emisión en los espectros de los rayos gamma cósmicos.

¿Realmente no hay problemas?

Daniel Hooper, un astrofísico en el Fermilab en EEUU no cree que los problemas que quiere solucionar el modelo atómico de la materia oscura atómica sean en verdad problemáticos; ya que el conflicto de la formación de estructuras está esencialmente resuelto, mientras que los resultados DAMA «no son muy convincentes». «Les diría», añade, «a los científicos que piensan que son asuntos que requieren solución, que la idea de la ‘materia oscura atómica» presentada aquí no parece resolver los problemas con bastante facilidad».

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti