LOS ORÍGENES DE LA MATERIA OSCURA

Las estrellas en algunas galaxias espirales giran rápidamente. Según las leyes de la mecánica de Newton, la velocidad de una estrella a lo largo de su órbita depende de la masa de la galaxia contenida dentro de la órbita de la estrella. Sin embargo la masa visible es mucho menor que lo esperado. ¿Dónde está la masa que falta?  Crédito: Astroverada.com

Los teóricos piensan que la materia oscura fue forjada en las consecuencias del Big Bang.

Las transiciones están por todas partes. El agua se congela, se funde o se hierve; los enlaces químicos se rompen y forman para fabricar nuevas sustancias a partir de diferente ordenamiento de los átomos.

El universo mismo pasó por importantes transiciones en los primeros tiempos. Nuevas partículas fueron creadas y destruidas continuamente hasta que las cosas se enfriaron lo suficiente para permitirles sobrevivir.

Esas partículas incluyen las que conocemos, como el Bosón de Higgs o el Quark Top (Superior). Pero también podrían incluir la materia oscura, partículas invisibles que actualmente sólo conocemos debido a sus efectos gravitatorios.

En términos cósmicos, las partículas de materia oscura podrían ser una "reliquia térmica", forjada en el universo temprano caliente y luego dejada atrás durante las transiciones a eras más moderadas. Una de estas transiciones, conocida como "freeze-out", cambió la naturaleza de todo el universo.

  

El congelador cósmico caliente

En promedio, el universo de hoy es un lugar bastante aburrido. Si se elige un lugar aleatorio en el cosmos, es mucho más probable que esté en el espacio intergaláctico que, digamos, el corazón de una estrella o incluso dentro de un sistema solar alienígena. Ese lugar es probablemente frío, oscuro y tranquilo.

No puede decirse lo mismo  para un lugar aleatorio poco después del Big Bang.

"El universo era tan caliente que las partículas que se producen a partir de fotones y que se rompen en otros fotones; de fotones que chocan con electrones, y  electrones que al golpear positrones generan la producción de estas partículas que son muy pesadas", dice Matthew Buckley de la Universidad de Rutgers.

El cosmos entero era un partido que rompía las partículas, pero cada fiesta no estaba destinada a durar; este duró sólo un billón de segundo. Después de eso vino el congelamiento cósmico. Durante el congelamiento, el universo se expandió y se enfrió lo suficiente para que las partículas chocaran con menos frecuencia pero catastróficamente.

Un milagro maravilloso, el WIMP

Una razón para pensar en la materia oscura como una reliquia térmica es una interesante coincidencia conocida como el "Milagro WIMP".

WIMP – sigla en inglés de Weakly Interacting Massive Particles que significa "Partícula Masiva de Interacción Débil" -  son los candidatos más aceptados para la materia oscura.

La teoría dice que los WIMP son probablemente más pesados ​​que los protones e interactúan a través de la fuerza débil, o al menos interaccionan  relacionados con la fuerza débil.

El último bit es importante, porque el congelamiento de una partícula específica depende de qué fuerzas lo afectan y de la masa de la partícula. Las reliquias termal hechas por la fuerza débil nacieron temprano en la historia del universo porque las partículas necesitan ser atascadas para que la fuerza débil, que trabaja solamente a través de distancias cortas, sea un factor.

"Si la materia oscura es una reliquia térmica, puedes calcular cuán grande debe ser la interacción entre las partículas de materia oscura", dice Buckley.

Tanto la luz primordial conocida como fondo de microondas cósmico,  como el comportamiento de las galaxias, nos dicen que la mayoría de la materia oscura debe ser de movimiento lento ( "frío" en el lenguaje de la física). Esto significa que las interacciones entre las partículas de materia oscura deben ser de baja intensidad.

"A través de lo que es tal vez un hecho muy profundo sobre el universo", dice Buckley, "esa interacción resulta ser la fuerza de lo que conocemos como la fuerza nuclear débil".

Ése es el milagro de WIMP: Los números son perfectos para hacer la cantidad justa de materia WIMPy.

La gran captura, sin embargo, es que los experimentos no han encontrado ningún WIMP todavía. Es demasiado pronto para decir WIMPs no existen, pero descarta algunas de las predicciones teóricas más simples sobre ellos.

En última instancia, el milagro WIMP podría ser una coincidencia. En lugar de la fuerza débil, la materia oscura podría implicar una nueva fuerza de la naturaleza que no afecta a la materia ordinaria lo suficientemente fuerte para detectar. En ese escenario, dice Jessie Shelton de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, "Podrías tener congelación térmica, pero el congelamiento es de materia oscura a algún otro campo oscuro en lugar de [algo en] el Modelo Estándar".

En ese escenario, la materia oscura seguiría siendo una reliquia térmica, pero no un WIMP.

Para Shelton, Buckley y muchos otros físicos, la búsqueda de materia oscura todavía está llena de posibilidades.

"Tenemos razones realmente convincentes para buscar WIMPs térmicos", dice Shelton "Vale la pena recordar que este es sólo un pequeño rincón de un espacio mucho más amplio de posibilidades".

Fuente: Compilado de Symmetry 11.agosto.2016 (Fermilab) Revista en línea – Matthew R. Francis

Traducción libre de SOCA

Lectura complementario del tema: ¿Hay una partícula de energía oscura?