Más allá de las WIMPs: Explorando alternativas a la materia oscura

El modelo cosmológico estándar nos dice que sólo el 4,9% del universo está compuesto por materia común (es decir, la que podemos ver), mientras que el resto se compone de un 26,8% de materia oscura, y un 68,3% de energía oscura. Tal como sugieren sus nombres, no podemos verlas, por lo que su existencia debe deducirse en base a los modelos teóricos y observaciones de la estructura a gran escala del universo, y sus aparentes efectos gravitatorios sobre la materia visible.

Desde que se propuso por primera vez, no ha habido pocas sugerencias sobre qué aspecto podrían tener las partículas de materia oscura. No hace mucho, los científicos propusieron que la materia oscura consiste en Partículas Masivas de Interacción Débil (WIMPs, por sus siglas en inglés), que tienen aproximadamente 100 veces la masa de un protón, pero interactúan como los neutrinos. Sin embargo, todos los intentos por encontrar las WIMPs usando experimentos en colisionadores no han arrojado resultados. Por esto, los científicos han estado explorando últimamente la idea de que la materia oscura podría estar compuesta de algo completamente distinto.

Universo oscuro Crédito: AMNH

Los actuales modelos cosmológicos tienden a suponer que la masa de la materia oscura está alrededor de los 100 Gev (Giga-electrovolts), lo que corresponde a la masa de una gran cantidad de otras partículas que interactúan a través de la fuerza nuclear débil. La existencia de tales partículas sería consistente con las extensiones supersimétricas del Modelo Estándar de la física de partículas. También se cree que estas partículas se habrían creado en el joven, denso, y caliente universo, con una densidad-masa de materia que se ha mantenido consistente hasta la actualidad.

Sin embargo, los proyectos experimentales en curso para detectar las WIMPs no han logrado producir pruebas concretas de estas partículas. Estos proyectos incluyen la búsqueda de los subproductos de aniquilación de las WIMPs (es decir, rayos gamma, neutrinos, y rayos cósmicos) en las galaxias cercanas y cúmulos, así como experimentos de detección directa usando supercolisionadores, como el LHC del CERN en Suiza.

Debido a esto, muchos equipos de investigación han empezado a considerar la búsqueda más allá de las WIMPs para encontrar la materia oscura. Uno de tales equipos consta de un grupo de cosmólogos del CERN y CP3-Origins, en Dinamarca, que recientemente publicaron un estudio indicando que la materia oscura podría ser mucho más pesada e interactuar mucho menos de lo que anteriormente se pensaba.

Tal como comenta el Dr. McCullen Sandora, uno de los miembros del equipo de investigación de CP-3 Origins, a Universe Today en un correo electrónico:

“No podemos descartar aún el escenario de las WIMPs, pero cada año que pasa aumentan las sospechas al no ver nada. Además, la física habitual de escala débil sufre el problema de la jerarquía. Es decir, por qué todas las partículas que conocemos son tan ligeras, especialmente respecto a la escala natural de la gravedad, la escala de Planck, que es de unos 10¹⁹ GeV. Por tanto, si la materia oscura estuviese más cerca de la escala de Planck, no se vería afectada por el problema de la jerarquía, y esto explicaría por qué no hemos observado la firma asociada a las WIMPs”.

Usando un nuevo modelo al que llaman Planckian Interacting Dark Matter (Materia Oscura de Interacción Planckiana – PIDM, por sus siglas en inglés), el equipo ha estado explorando el límite superior de masa de la materia oscura. Mientras que las WIMPs colocan la masa de la materia oscura en el límite superior de la escala electrodébil, el equipo danés de Marthias Garny, McCullen Sandora y Martin S. Sloth propuso una partícula con una masa cercana a otra escala natural – la escala de Planck.

En la escala de Planck, una unidad de masa es equivalente a 2,17645 × 10^-8 kg – aproximadamente un microgramo, o 10¹⁹ veces mayor que la masa de un protón. Con esta masa, cada PIDM es, básicamente, tan pesada como puede ser una partícula antes de convertirse en un agujero negro en miniatura. El equipo también propone que estas partículas PIDM interactúan con la materia común sólo a través de la gravitación, y que se formaron grandes cantidades de ellas en los inicios del universo, durante la era del “recalentamiento” –  un periodo que tuvo lugar al final de la Era Inflacionaria, entre 10^-36 a 10^-33 o 10^-32 segundos después del Big Bang.

Esta época se llama así debido a que, durante la inflación, las temperaturas cósmicas se cree que descendieron en un factor de 100 000, aproximadamente. Cuando terminó la inflación, las temperaturas volvieron a su estado pre-inflacionario (estimado en 10²⁷ K). En este punto, la gran energía potencial del campo inflacionario se desintegró en las partículas del Modelo Estándar que llenan todo el universo, que incluirían la materia oscura.

Naturalmente, esta nueva teoría trae nuevas implicaciones para los cosmólogos. Por ejemplo, para que funcione este modelo, la temperatura de la era del recalentamiento tendría que haber sido superior a lo que se supone actualmente. Es más, un periodo de recalentamiento más caliente también daría como resultado la creación de más ondas gravitatorias primordiales, que serían visibles en el Fondo de Microondas Cósmico (CMB).

“Tener unas temperaturas tan altas nos dice dos cosas interesantes sobre la inflación”, señala Sandora. “Si la materia oscura resulta ser PIDM: lo primero es que la inflación tuvo lugar a una energía muy alta, lo que a su vez implica que fue capaz no sólo de producir fluctuaciones en la temperatura del joven universo, sino también del propio espacio-tiempo, en forma de ondas gravitatorias. Segundo, nos dice que la energía de la inflación tuvo que desintegrarse en materia extremadamente rápido, debido a que si hubiese necesitado demasiado tiempo, se habría enfriado hasta el punto de que no habría logrado producir PIDMs en absoluto”.

La existencia de estas ondas gravitatorias podría confirmarse o descartarse en futuros estudios que impliquen al CMB. Estas son noticias emocionantes, dado que el reciente descubrimiento de las ondas gravitatorias se espera que lleve a nuevos intentos de detectar ondas primordiales que datan de la propia creación del universo.

Tal como explica Sandora, esto presenta un escenario para los científicos en el que todos ganan, dado que significa que este último candidato para la materia oscura podrá aceptarse o refutarse en el futuro cercano.

“Nuestro escenario realiza una predicción concreta: veremos ondas gravitatorias en la próxima generación de experimentos que estudien el CMB. Por tanto, es un escenario en el que nadie pierde: si las vemos, será genial, y si no las vemos sabremos que la materia oscura no es una PIDM, lo que significará que sabemos que tiene que tener algunas interacciones adicionales con la materia común. Y todo esto tendrá lugar en la próxima década aproximadamente, lo que nos deja con muchas ganas de verlo”.

Desde que Jacobus Kapteyn propuso por primera vez la existencia de la materia oscura en 1922, los científicos han estado buscando pruebas directas de su existencia. Y una a una, las partículas candidatas – desde los gravitinos a MACHOS y axiones – se han propuesto, evaluado, y puestos en busca y captura. Aunque sólo sea esto, es bueno saber que este último candidato puede demostrarse o descartarse en el futuro cercano.

Y en caso de demostrarse correcto, ¡resolveremos uno de los mayores misterios cosmológicos de todos los tiempos! Un paso más cerca de comprender realmente el universo y cómo interactúan sus misteriosas fuerzas. Teoría del Todo, ¡allá vamos (o no)!

Fuente: http://www.cienciakanija.com/2016/04/23/mas-alla-de-las-wimps-explorando-alternativas-a-la-materia-oscura/

¿Un fogonazo de luz junto a las ondas gravitacionales?

La fusión de dos agujeros negros generó las ondas gravitacionales – CfA

Su origen está en los mismos agujeros negros que provocaron las ondas, lo que supondría un hito para la Ciencia.

El pasado 14 de septiembre se produjo la primera detección directa de ondas gravitacionales. Procedían de una perturbación en el tejido espaciotemporal causada por la fusión de dos agujeros negros a 1.300 millones de años luz de distancia. De forma similar a las ondas que se producen en un lago al tirar una piedra, las ondas viajaron durante todo ese tiempo por el espacio, debilitándose paulatinamente con la distancia, y aunque al llegar a la Tierra eran casi imperceptibles, pudieron ser captadas por los dos instrumentos LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) en sus dos instalaciones de Hanford, en Washington, y Livingston, en Luisiana. El hallazgo abrió una nueva ventana para explorar el Universo.
Pero eso no fue todo lo que se observó ese día. Menos de medio segundo después de la detección de LIGO, en efecto, el instrumento GBM (Gamma-ray Burst Monitor) a bordo del telescopio espacial de rayos gamma Fermi, de la NASA, captó también un breve destello luminoso de alta energía en la misma zona del cielo. Y el análisis de ese fogonazo sugiere, con solo un 0,2% de probabilidad de error, que su origen está en los mismos agujeros negros que provocaron las ondas gravitacionales. Lo cual, si se confirma, sería todo un hito para la Ciencia, ya que una fusión entre agujeros negros, en teoría, no debería producir luz alguna. El trabajo acaba de publicarse en The Astrophysical Journal.
“Se trata de un descubrimiento tentador y con muy pocas probabilidades de ser una falsa alarma -afirma Valerie Connaughton, autora principal del estudio y parte del equipo científico del instrumento GBM-. Pero antes de ponernos a reescribir los libros de texto necesitamos ver más fogonazos asociados a ondas gravitacionales producidas por la fusión de agujeros negros”.
Detectar luz procedente de una fuente de ondas gravitacionales haría posible comprender mucho mejor el evento que las produce, ya que podría estudiarse al mismo tiempo desde dos puntos de vista muy distintos. El instrumento GBM es el primero diseñado para detectar pulsos de rayos gamma muy cortos, de menos de dos segundos de duración. Se cree que estos fogonazos tan breves se producen cuando dos objetos muy compactos, como las estrellas de neutrones, se orbitan mutuamente y terminan por chocar. Pero es la primera vez que se asocian a agujeros negros en colisión.
“Estudiar un único evento con rayos gamma y ondas gravitacionales a la vez nos dirá qué es exactamente lo que causa esos breves estallidos de energía -afirma Lindy Blackburn, miembro de la colaboración científica LIGO-. Existe una increíble sinergia entre ambas observaciones, con el estallido de rayos gamma revelando detalles energéticos de la fuente y el medio ambiente local, y las ondas gravitacionales proporcionando una sonda única para estudiar las dinámicas que conducen al evento”.
Actualmente, los observatorios de ondas gravitacionales ofrecen una visión bastante borrosa y limitada. Algo que se corregirá con el tiempo y a medida que nuevas y mejores instalaciones vayan entrando en funcionamiento. Por eso, el pasado 14 de septiembre los científicos de LIGO no fueron capaces de situar con precisión la fuente de las ondas gravitacionales que habían detectado, y se limitaron a marcar un área más o menos extensa y en cuyo interior debían encontrarse los dos agujeros negros.
Pero la detección, menos de medio segundo después, del breve destello de rayos gamma, ha permitido a los científicos del telescopio espacial Fermi localizar el punto exacto donde se produjo el evento. Por suerte para los investigadores, en ese momento la Tierra no se interponía entre el telescopio y el rapidísimo fogonazo.

Fusión poco común

Las ondas gravitacionales detectadas por LIGO se produjeron como consecuencia de la fusión de dos grandes agujeros negros, cada uno con cerca de treinta masas solares. Esta clase de fusiones son muy poco comunes y aún no se conoce bien la naturaleza de estos extraños sistemas binarios. Pero lo que desde luego no se esperaba es que estos eventos fueran capaces de producir destellos como el observado.
La razón es que para que se produzcan esta clase de fogonazos de rayos X o Gamma es necesario que alrededor de los objetos que colisionan haya nubes de gas en órbita. La excitación de los átomos de gas por la energía de la colisión es, precisamente, lo que produce la luminosidad. Y los investigadores piensan que, por su propia naturaleza, no debería de haber nubes de gas orbitando un sistema de dos agujeros negros. Y de haberlas, habrían que tenido que ser absorbidas mucho tiempo antes de su colisión.
Por eso, algunos astrónomos han manifestado sus dudas sobre este hallazgo, que consideran una simple coincidencia. Habrá que detectar más casos parecidos para poder estar seguros de lo que realmente sucede cuando dos agujeros negros chocan entre sí.

Fuente: http://abcblogs.abc.es/nieves/public/post/un-fogonazo-de-luz-junto-a-las-ondas-gravitacionales-16972.asp/

New state of matter detected in a two-dimensional material

The excitation of a spin liquid on a honeycomb lattice with neutrons. Credit: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory

An international team of researchers have found evidence of a mysterious new state of matter, first predicted 40 years ago, in a real material. This state, known as a quantum spin liquid, causes electrons - thought to be indivisible building blocks of nature - to break into pieces.

The researchers, including physicists from the University of Cambridge, measured the first signatures of these fractional particles, known as Majorana fermions, in a two-dimensional material with a structure similar to graphene. Their experimental results successfully matched with one of the main theoretical models for a quantum spin liquid, known as a Kitaev model. The results are reported in the journal Nature Materials.

Quantum spin liquids are mysterious states of matter which are thought to be hiding in certain magnetic materials, but had not been conclusively sighted in nature.

The observation of one of their most intriguing properties—electron splitting, or fractionalisation—in real materials is a breakthrough. The resulting Majorana fermions may be used as building blocks of quantum computers, which would be far faster than conventional computers and would be able to perform calculations that could not be done otherwise.

"This is a new quantum state of matter, which has been predicted but hasn't been seen before," said Dr Johannes Knolle of Cambridge's Cavendish Laboratory, one of the paper's co-authors.

In a typical magnetic material, the electrons each behave like tiny bar magnets. And when a material is cooled to a low enough temperature, the 'magnets' will order themselves, so that all the north magnetic poles point in the same direction, for example.

But in a material containing a spin liquid state, even if that material is cooled to absolute zero, the bar magnets would not align but form an entangled soup caused by quantum fluctuations.

"Until recently, we didn't even know what the experimental fingerprints of a quantum spin liquid would look like," said paper co-author Dr Dmitry Kovrizhin, also from the Theory of Condensed Matter group of the Cavendish Laboratory. "One thing we've done in previous work is to ask, if I were performing experiments on a possible quantum spin liquid, what would I observe?"

Knolle and Kovrizhin's co-authors, led by the Oak Ridge National Laboratory, used neutron scattering techniques to look for experimental evidence of fractionalisation in crystals of ruthenium chloride (RuCl3). The researchers tested the magnetic properties of the RuCl3 crystals by illuminating them with neutrons, and observing the pattern of ripples that the neutrons produced on a screen.

A regular magnet would create distinct sharp spots, but it was a mystery what sort of pattern the Majorana fermions in a quantum spin liquid would make. The theoretical prediction of distinct signatures by Knolle and his collaborators in 2014 match well with what experimentalists observed on the screen, providing for the first time direct evidence of a quantum spin liquid and the fractionalisation of electrons in a two dimensional material.

"This is a new addition to a short list of known quantum states of matter," said Knolle.

"It's an important step for our understanding of quantum matter," said Kovrizhin. "It's fun to have another new quantum state that we've never seen before - it presents us with new possibilities to try new things."

 Explore further: Quantum mapmakers complete first voyage through spin liquid

More information: Proximate Kitaev quantum spin liquid behaviour in a honeycomb magnet, Nature Materials, DOI: 10.1038/nmat4604 

Journal reference: Nature Materials
 

Provided by: University of Cambridge

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