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Nuevo modelo de materia oscura

02/11/2014 08:30 0 Comentarios Lectura: ( palabras)

Proponen sustituir el modelo WIMPs de materia oscura por el modelo SIMPs de partículas fuertemente interactuantes.

En esta simulación se ve la formación de galaxias enanas. Fuente: John Wise, Tom Abel, Ralf Kaehler, Universidad de Stanford.

Uno de los problemas más importantes de la Física actual es saber la naturaleza de la materia oscura. Podemos observar los efectos de materia oscura cuando miramos al Universo y los modelos cosmológicos simplemente no funcionan sin materia oscura, así que esta posiblemente exista. Pero no sabemos qué constituye dicha materia que no emite ni refleja ni oculta la luz.

La idea favorita desde hace 30 años para explicar la materia oscura es decir que esta materia consiste en una multitud de partículas denominadas WIMPs (partículas masivas débilmente interactuantes en sus siglas en inglés). Serían partículas con una masa 100 GeV (100 veces la protón) o menos que interaccionarían débilmente con las partículas ordinarias que constituyen la materia normal, incluidos los fotones de luz. Sin embargo, sí que interaccionarían gravitatoriamente con todas ellas. Es decir, habría interacción gravitatoria e interacción con la fuerza nuclear débil, pero no con la fuerza nuclear fuerte ni electromagnética. Entre ellas las WIMPs también interaccionarían de esa débil manera.

Por esta razón serían tan difíciles de detectar, por una lado la luz no las puede revelar (los fotones son los cuantos de la fuerza electromagnética) y, por otro lado, habría que esperar a que una de esas partículas interaccionase con las partículas de nuestros detectores a través de la fuerza nuclear débil.

Pero hay un par de problemas. El primero y fundamental es que todavía no se han encontrado las dichosas WIMPs en los experimentos diseñados para ello. El segundo es que las WIMPs no son el modelo perfecto que explica las estructuras del Universo a todas las escalas. Como ya sabemos todos, la materia oscura es el andamiaje sobre el que se forman las grandes estructuras del Cosmos, una red de filamentos sobre la que la materia ordinaria se agrega gravitatoriamente. Las WIMPs explican bien la formación de cúmulos de galaxias, pero no explican muy bien las estructuras a escala galáctica.

Según el Universo se expandía se formarían galaxias en los halos de WIMPs. Pero las simulaciones que tienen muestran que si no hay interacción entre las partículas de materia oscura se formarían muchos agregados pequeños que serían muy densos en su centro. Esto daría lugar a muchas galaxias enanas que no se observan en esa abundancia en el universo real.

Sin embargo, el modelo WIMPs posee ciertos éxitos. Al poco de darse el Bing Bang las partículas y antipartículas de WIMPs colisionaban para producir partículas de materia ordinaria. Según se expandía el Universo esas colisiones se hacían más raras debido a la escasa interacción y se terminó con la proporción de masa de 5 a 1 de materia oscura frente a ordinaria que observamos en la actualidad.

Ahora un grupo de físicos propone un modelo alternativo en el que las partículas de materia oscura serían SIMPs (partículas masivas fuertemente interactuantes). Estas partículas escalares (quizás glubolas) estarían aún por descubrir, tendrían una masa de 100 MeV (una décima de la masa del protón), no interaccionarían mucho con las partículas ordinarias salvo gravitatoriamente y sí interaccionarían fuertemente entre ellas (auto-interacción).

Durante el Big Bang se pudieron producir partículas de materia oscura caliente (neutrinos y partículas relativistas) o partículas de materia oscura fría (WIMPs o similares). Las distingue su número y su entropía. En el primer caso se mantuvo constante su número y su entropía. En el segundo se aniquilaban entre sí produciendo partículas de materia ordinaria como hemos descrito antes, su número descendió y se redujo su entropía.

Además, existe la posibilidad de que el número de partículas se mantenga constante y cambie la entropía, por ejemplo si las partículas de materia oscura interaccionaron con los fotones. Pero también existe otra posibilidad en la que el número de partículas varía pero la entropía se mantiene constante. Para ello es necesario que haya interacciones (reacciones) que cambien el número de partículas. Esto es precisamente lo elegido para el modelo de SIMPs.

Los autores del nuevo modelo proponen que entre los tipos de interacciones que se darían estaría un proceso importante mediante el cual tres SIMPs producen dos SIMPs (no se conservaría el número de partículas en esta interacción), que sería más común que el proceso de dos SIMPs produciendo dos SIMPs en el que se conserva el número de partículas. Las SIMPs incluso podrían tener auto-interacción del tipo 4 a 2.

La interacción de las SIMPs con las partículas de materia ordinaria sería aún más débil que la de las WIMPs. Las colisiones 3 a 2 descritas antes calentarían las SIMPs obtenidas y como resultado interaccionarían muy poco con las ordinarias al no tener la misma temperatura de ellas al no poder intercambiar el calor. Sin embargo, las SIMPs serían detectables de cuando en cuando si se utilizan electrones o fotones como blancos de interacción (esto dependería de la naturaleza exacta de las partículas SIMPs) en lugar de usar núcleos atómicos como hasta ahora.

Lo bueno es que las SIMPs predicen unas estructuras a tamaño galáctico que sí se corresponden con lo observado, conservando además el resto de estructuras a gran escala del Universo.

La idea no es del todo nueva, pero parece que funciona en este contexto. Los proponentes califican el nuevo modelo como de "milagro", pero el tiempo dirá si estaban en lo cierto. En unos pocos años se podría refutar o aceptar esta nueva explicación.

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