Extravagantes partículas podrían explicar la masa perdida del universo

Los astrónomos aún están tratando de encontrar la elusiva partícula de materia oscura

Durante más de 70 años los astrofísicos han especulado de qué podría es tar compuesta la materia oscura que parece que falta y que supone más del 80 % del total de la masa en el universo. Los candidatas típicas son entidades fundamentales conocidas como partículas masivas de interacción débil, o WIMPs; pero una nueva investigación sugiere que algo más peculiar se adapta mejor al efecto.

Según Kathryn Zurek, de la Universidad de Michigan, y sus colegas, una «extravagante materia oscura compuesta» podría explicar la masa perdida del universo, pero no tendría algunos de los problemas usuales asociados con los sistemas convencionales de materia oscura WIMP. «La gente está cada vez más abierta a teorías más complejas de la materia oscura», dice Zurek.

La elusiva materia negra aún no muestra su naturaleza íntima

Las WIMPs se llaman así porque interactúan con la materia «bariónica» normal sólo a través de la gravedad y la fuerza nuclear débil. Pero después de décadas de búsqueda, la hipótesis de las WIMP está empezando a ser objeto de un escrutinio cada vez mayor. En primer lugar, los experimentos de detección directa —como el experimento XENON100 en el laboratorio del Gran Sasso en Italia, o el experimento CDMS en los EE.UU— aún no han encontrado ninguna prueba convincente de la existencia de las WIMPs. Esto ha llevado a la conclusión de que las WIMPs deben interactuar de una manera excepcionalmente débil con la materia normal.

Pero más importante, sin embargo, es que no parece haber ninguna razón para que la materia oscura sea cuatro veces más abundante que la materia normal; en otras palabras, ¿por qué su abundancia es del mismo orden de magnitud? Dado que los astrofísicos están acostumbrados a tratar con diferencias en órdenes de magnitud de 10, 20 o más, esta característica se parece a una especie de coincidencia.

Una solución peculiar

La materia oscura extravagante ofrece una salida a la interacción y los problemas de coincidencia. Presentados como hipótesis en 2008 por los físicos de EE.UU. Junhai Kang y Luty Markus, los «quirks» («caprichos») son similares a los quarks que componen los nucleones en el interior de los átomos en los que están unidos formando partículas compuestas.

Sin embargo, los «quirks» serían mucho más pesados, y en vez de estar unidos por la fuerza nuclear fuerte, estarían unidos por un nuevo tipo de fuerza: una fuerza fuerte «oscura». Cuando se unen dos «quirks» de carga opuesta formarían una partícula neutra, similar a lo que ocurre en un neutrón. En esta última investigación, Zurek y su equipo han desarrollado esta teoría en un modelo más exhaustivo de la materia oscura.

Es la carga innata de los quirks lo que les permite soslayar el problema de la coincidencia WIMP. La carga relaciona los quirks con los mismos procesos del Modelo Estándar de física de partículas que determinan la abundancia de bariones, por lo que, naturalmente, tien que haber una relación más o menos equilibrada de quirks (materia oscura) y bariones (materia normal). Y la neutralidad global del compuesto, tanto en carga como en acoplamiento electrodébil, explicaría por qué los experimentos de detección directa hasta ahora no han logrado ninguna prueba.

Neal Weiner, un cosmólogo y físico de partículas en la New York University, dice que Zurek ha llegado a un modelo interesante. «Ella y sus colaboradores han tomado estas [cuestiones con la materia oscura WIMPconvencionales] y realmente hicieron algunos avances con ellas», dice. «Pero lo mejor es que ella ha demostrado que estos modelos pueden ser relevantes para los experimentos. Esto no es sólo un ejercicio teórico: Si alguna de estas ideas son correctas, lo podremos saber pronto».

Leer entre líneas

Una de las formas en que los experimentos purden detectar la materia oscura de quirks surge de la exacta naturaleza de cada quirk en el compuesto. Si son sólo un poco diferentes —por ejemplo, en la masa— puede que los quirks rara vez intercambien un fotón con los protones de un átomo o un neutrón, y de esta manera creen un retroceso nuclear en uno de los experimentos convencionales de detección directa. Por otra parte, la capacidad de absorber fotones podría significar que la materia oscura de quirks tiene una serie de líneas de absorción, como las líneas «Lyman» del hidrógeno. Si la luz de una fuente distante, como un cuásar, tuviese que brillar a través de un grupo de materia oscura de quirks en el camino a la Tierra, los telescopios deberían ver estas líneas de absorción en el espectro de la luz.

Como la propia Zurek señala, este tipo de detección sería en una fuente de luz lo suficientemente brillante y un grupo suficientemente denso de la materia oscura de quirks. Pero como los experimentos están fallando en encontrar pruebas convincentes de materia oscura convencional WIMP, los físicos pueden encontrar que deben empezar a explorar posibilidades más estrañas. «Podría haber fuerzas oscuras, puede haber múltiples escalas en el sector de materia oscura, podría haber este tipo de estructura donde hay estados excitados … de repente estamos empezando a pensar en términos de una dinámica mucho más compleja», dice Zurek.

La investigación está disponible en arXiv: 0909.2034 .

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti

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