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/