El modelo estándar de cosmología nos dice que solo el 4,9% del universo está hecho de materia ordinaria (de lo que podemos ver), mientras que el resto es un 26,8% de materia oscura y un 68,3% de oscuridad. energía. Como sugiere el nombre de estos conceptos, no podemos verlos, por lo que su existencia debe seguir a partir de modelos teóricos, observaciones de la estructura a gran escala del Universo y los obvios efectos gravitacionales que se manifiestan en la materia visible.
Desde que se habló de esto por primera vez, ciertamente no ha habido escasez de especulaciones sobre cómo se ven las partículas de materia oscura. No hace mucho tiempo, muchos científicos comenzaron a pensar que la materia oscura consiste en partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP, WIMP), que tienen aproximadamente 100 veces la masa de un protón, pero interactúan como neutrinos. Sin embargo, todos los intentos de encontrar WIMP mediante experimentos con aceleradores de partículas no han dado resultado. Por lo tanto, los científicos comenzaron a buscar posibles alternativas a la composición de la materia oscura.
Los modelos cosmológicos modernos tienden a asumir que la masa de materia oscura se encuentra dentro de los 100 GeV (gigaelectronvoltio), lo que corresponde a los límites de masa de muchas otras partículas que interactúan con la ayuda de una fuerza nuclear débil. La existencia de tal partícula correspondería a una extensión supersimétrica del Modelo Estándar de física de partículas. Además, se cree que tales partículas deberían haber nacido en un universo temprano, denso y caliente, con la densidad de masa de la materia, que se ha mantenido sin cambios hasta el día de hoy.
Sin embargo, los experimentos en curso para identificar WIMP no han encontrado evidencia concreta de la existencia de tales partículas. Estos incluyeron búsquedas de productos de aniquilación WIMP (rayos gamma, neutrinos y rayos cósmicos) en galaxias y cúmulos cercanos, así como experimentos de detección directa de partículas utilizando supercolliders como el LHC.
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Por supersimetría, los débiles se aniquilan entre sí, creando una cascada de partículas y radiación, incluidos los rayos gamma de energía media.
Al no encontrar nada, muchos científicos decidieron alejarse del paradigma WIMP y buscar materia oscura en otros lugares. Uno de esos grupos de cosmólogos CERN y CP3-Origins en Dinamarca publicó recientemente un estudio que muestra que la materia oscura puede ser mucho más pesada y más débil para interactuar de lo que se pensaba anteriormente.
Uno de los miembros del equipo de investigación de CP-3 Origins, el Dr. McCullen Sandora, habló sobre los esfuerzos de su equipo:
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“Todavía no podemos descartar el escenario WIMP, pero cada año sospechamos más y más de lo que no hemos visto nada. Además, la escala débil habitual de la física adolece de un problema de jerarquía. No está claro por qué todas las partículas que conocemos son tan ligeras, especialmente si miras la escala natural de gravedad, la escala de Planck, que es de aproximadamente 1019 GeV. Entonces, si la materia oscura estuviera más cerca de la escala de Planck, no se vería afectada por el problema de la jerarquía, y eso también explicaría por qué no hemos visto firmas asociadas con WIMP.
Usando un nuevo modelo al que llaman Materia oscura interactiva de Planck (PIDM), los científicos están investigando un límite superior en la masa de materia oscura. Mientras que los WIMP colocan la masa de materia oscura en el extremo superior de la escala electrodébil, el equipo de investigación danés de Martias Garney, McCullen Sandora y Martin Slot propuso una partícula con una masa que está en una escala natural completamente diferente: el Planckiano.
En la escala de Planck, una unidad de masa equivale a 2.17645 x 10-8 kilogramos, aproximadamente un microgramo, o 1019 veces la masa de un protón. A esa masa, cada PIDM es esencialmente tan pesado como una partícula antes de convertirse en un agujero negro en miniatura. El grupo también sugirió que estas partículas PIDM interactúan con la materia ordinaria solo gravitacionalmente, y que muchas de ellas se formaron en el Universo muy temprano durante la era de calentamiento fuerte, un período que comenzó al final de la era inflacionaria, en algún lugar entre 10-36 y 10- 33 o 10-32 segundos después del Big Bang.
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Esta era se llama así porque durante la inflación, se cree que la temperatura del espacio ha caído 100.000 veces. Cuando terminó la inflación, las temperaturas volvieron a su nivel anterior a la inflación (alrededor de 1027 Kelvin). En este momento, la mayor parte de la energía potencial del campo inflacionario se ha descompuesto en partículas del Modelo Estándar, que llenaron el Universo, y entre ellas, materia oscura.
Naturalmente, la nueva teoría tiene sus consecuencias para los cosmólogos. Por ejemplo, para que este modelo funcione, la temperatura de la época de calentamiento tenía que ser más alta de lo que se cree actualmente. Además, un período de calentamiento más caliente también crearía más ondas gravitacionales primarias que se reflejarían en el fondo cósmico de microondas (CMB).
"Esta alta temperatura nos dice dos cosas interesantes sobre la inflación", dice Sandora. - Si la materia oscura es PIDM: primero, la inflación procedía a muy altas energías, lo que produciría no solo fluctuaciones en la temperatura del Universo primitivo, sino también en el propio espacio-tiempo, en forma de ondas gravitacionales. En segundo lugar, nos dice que la energía de la inflación debería haberse descompuesto en materia extremadamente rápido, porque si tomaba mucho tiempo, el Universo podría enfriarse hasta el punto en el que ya no podría producir PIDM en absoluto.
La existencia de estas ondas gravitacionales puede confirmarse o descartarse en futuros estudios del fondo cósmico de microondas. Esta es una noticia extremadamente emocionante, ya que se espera que el reciente descubrimiento de ondas gravitacionales conduzca a renovados esfuerzos para detectar ondas primordiales que tienen sus raíces en la creación misma del universo.
Como explicó Sandora, todo esto presenta un claro escenario en el que todos ganan para los científicos, ya que el candidato más nuevo para la materia oscura será descubierto o refutado en un futuro cercano.
“Nuestro escenario hace una predicción férrea: veremos ondas gravitacionales en la próxima generación de experimentos con el fondo cósmico de microondas. Es decir, esto es beneficioso para todos: si los vemos, está bien, y si no los vemos, entonces sabremos que la materia oscura no es un PIDM, lo que significa que debemos esperar parte de su interacción con la materia ordinaria. Si todo esto sucede en los próximos diez años, solo podemos esperar con impaciencia.
Desde que Jacobus Kaptein sugirió por primera vez la existencia de materia oscura en 1922, los científicos han buscado una confirmación directa de su existencia. Uno por uno, los candidatos a partículas, desde gravitinos hasta axiones, fueron propuestos, seleccionados y abandonados en el ámbito de la búsqueda perpetua. Bueno, si a este último candidato se le niega o se confirma inequívocamente, esa opción ya no está nada mal.
Después de todo, si se confirma, resolveremos uno de los mayores misterios cosmológicos de todos los tiempos. Acerquémonos un paso más a comprender el universo y cómo interactúan sus misteriosas fuerzas entre sí.
