Raras partículas podrían explicar la masa perdida del Universo

Imagen del cúmulo de galaxias CL0024+17 que muestra la
creación de un efecto de lente gravitacional producto, en gran
parte, de la interacción gravitatoria con la materia oscura.

Durante más de 70 años los astrofísicos han especulado qué podría componer la materia oscura que parece formar el 80% de la masa del Universo. Los candidatos típicos son entidades fundamentales conocidas como partículas masivas de interacción débil, o WIMPs (weakly interacting massive particles), pero una nueva investigación sugiere que algo más peculiar podría encajar mejor.

De acuerdo con Kathryn Zurek de la Universidad de Michigan y sus colegas, "un extraño compuesto de materia oscura" podría explicar la masa perdida del Universo, pero quedando libre de algunos de los problemas usuales asociados con la materia oscura convencional de WIMPs. "La gente empieza a estar más abierta a teorías complejas sobre la materia oscura", dice Zurek.

Las WIMPs se llaman así debido a que interactúan con la materia normal "bariónica" sólo a través de la gravedad y la fuerza nuclear débil. Pero tras décadas de búsqueda, la hipótesis WIMP empieza a estar bajo un escrutinio cada vez mayor. Primero, experimentos de detección directa -tales como el XENON100 en el Laboratorio Gran Sasso en Italia, o el experimento CDMS en los EEUU- no han encontrado hasta la fecha ninguna prueba convincente de la existencia de WIMPs. Esto ha llevado a la conclusión de que las WIMPs deben interactuar de una forma excepcionalmente débil con la materia normal.

Tal vez más importante, sin embargo, es que parece no haber razón por la que la materia oscura es sólo cuatro veces más abundante que la materia normal, en otras palabras, por qué tiene una abundancia 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 parece una coincidencia.

La extraña materia oscura ofrece una salida a los problemas de interacción y coincidencia. Teorizada en 2008 por los físicos estadounidenses Junhai Kang y Markus Luty, los "quirks" son similares a los quarks que forman los nucleones dentro de los átomos en que se unen entre sí en partículas compuestas. No obstante, los quirks serían mucho más pesados, y en lugar de estar ligados por la fuerza nuclear fuerte, lo estarían mediante un nuevo tipo de fuerza, una fuerza nuclear fuerte "oscura". Cuando se unen dos quirks de cargas opuestas, formarían, de manera similar a un neutrón, una partícula neutra. En esta última investigación, Zurek y su equipo han desarrollado esta teoría en un modelo más exhaustivo de materia oscura.

Es la carga innata de los quirks lo que les permite evitar el problema de coincidencia de las WIMP. La carga vincula la abundancia de los quirks con el mismo proceso del Modelo Estándar de la física de partículas que determina la abundancia de bariones, por lo que debería haber de forma natural una proporción equilibrada entre 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 han fallado al tratar de lograr evidencias.

Neal Weiner, cosmólogo y físico de partículas en la Universidad de Nueva York, dice que Zurek ha llegado a un modelo interesante. "Ella y sus colaboradores han abordado estos [problemas con la materia oscura convencional de WIMP] y realmente han hecho progresos", dice. "Pero lo mejor es que ha demostrado cómo estos modelos pueden ser relevantes para los experimentos. No sólo es un ejercicio teórico, si alguna de estas ideas es cierta, pronto lo sabremos".

Una de las formas en que los experimentos podrían detectar materia oscura surge a partir de la naturaleza concreta de cada quirk en el compuesto. Si son ligeramente diferentes -por ejemplo, en masa- los quirks podrían raramente intercambiar un fotón con el protón o neutrón de un átomo, y de esta forma crear un retroceso nuclear en uno de los experimentos convencionales de detección directa. Además, la capacidad de absorber fotones podría indicar que la materia oscura de quirks tiene un conjunto de líneas de absorción, similar a las líneas "Lyman" del hidrógeno. Si la luz de una fuente lejana como un quásar brillase a través de un cúmulo de materia oscura de quirks en su camino hacia la Tierra, los telescopios verían estas líneas de absorción en la luz del espectro.

Como la propia Zurek señala, este tipo de detección dependería de una fuente de luz lo bastante brillante y de un cúmulo de materia oscura de quirks lo suficientemente denso. Pero con los experimentos actualmente fallando al tratar de lograr evidencias sólidas de materia oscura convencional de WIMPs, los físicos pueden haber descubierto que tienen que empezar a explorar posibilidades más esotéricas. "Podría haber fuerzas oscuras, podría haber múltiples escalas en el sector de la materia oscura, podría ser que este tipo de estructura apareciera cuando hay estados excitados… de pronto empezamos a pensar en términos de una dinámica mucho más compleja", dice Zurek.

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