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miércoles, febrero 8, 2023
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Un nuevo modelo para la materia oscura

En el modelo HYPER, algún tiempo después de la formación de materia oscura en el universo primitivo, la fuerza de su interacción con la materia normal aumenta abruptamente, lo que por un lado la hace potencialmente detectable hoy y al mismo tiempo puede explicar la abundancia de materia oscura.

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La materia oscura sigue siendo uno de los mayores misterios de la física moderna. Está claro que debe existir, porque sin materia oscura, por ejemplo, no se puede explicar el movimiento de las galaxias. Pero nunca ha sido posible detectar materia oscura en un experimento.

Actualmente, hay muchas propuestas para nuevos experimentos: tienen como objetivo detectar la materia oscura directamente a través de su dispersión de los constituyentes de los núcleos atómicos de un medio de detección, es decir, protones y neutrones.

Esta imagen del telescopio espacial Hubble de la NASA muestra la distribución de la materia oscura en el centro del cúmulo de galaxias gigantes Abell 1689, que contiene alrededor de 1000 galaxias y billones de estrellas. La materia oscura es una forma invisible de materia que representa la mayor parte de la masa del universo. Hubble no puede ver la materia oscura directamente. Los astrónomos infirieron su ubicación al analizar el efecto de la lente gravitacional, donde la luz de las galaxias detrás de Abell 1689 se distorsiona por la materia que interviene dentro del cúmulo. Los investigadores utilizaron las posiciones observadas de 135 imágenes con lentes de 42 galaxias de fondo para calcular la ubicación y la cantidad de materia oscura en el cúmulo. Superpusieron un mapa de estas concentraciones de materia oscura inferidas, teñidas de azul, en una imagen del cúmulo tomada por la Cámara avanzada para sondeos del Hubble. Si la gravedad del cúmulo proviniera solo de las galaxias visibles, las distorsiones de lente serían mucho más débiles. El mapa revela que la concentración más densa de materia oscura se encuentra en el núcleo del cúmulo. Abell 1689 reside a 2.200 millones de años luz de la Tierra. La imagen fue tomada en junio de 2002. Crédito: NASA, ESA, D. Coe (NASA Jet Propulsion Laboratory/California Institute of Technology, and Space Telescope Science Institute), N. Benitez (Instituto de Astrofísica de Andalucía, España), T. Broadhurst (Universidad del País Vasco, España), y H. Ford (Universidad Johns Hopkins)

Un equipo de investigadores, Robert McGehee y Aaron Pierce de la Universidad de Michigan y Gilly Elor de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz en Alemania, ahora ha propuesto un nuevo candidato para la materia oscura: HYPER, o «Reliquias de partículas altamente interactivas».

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En el modelo HYPER, algún tiempo después de la formación de materia oscura en el universo primitivo, la fuerza de su interacción con la materia normal aumenta abruptamente, lo que por un lado la hace potencialmente detectable hoy y al mismo tiempo puede explicar la abundancia de materia oscura.

La nueva diversidad en el sector de la materia oscura
Dado que la búsqueda de partículas pesadas de materia oscura, o las llamadas WIMPS, aún no ha tenido éxito, la comunidad investigadora está buscando partículas de materia oscura alternativas, especialmente las más ligeras. Al mismo tiempo, generalmente se esperan transiciones de fase en el sector oscuro; después de todo, hay varias en el sector visible, dicen los investigadores. Pero estudios previos han tendido a descuidarlos.

«No ha habido un modelo consistente de materia oscura para el rango de masas al que esperan acceder algunos experimentos planeados. Sin embargo, nuestro modelo HYPER ilustra que una transición de fase en realidad puede ayudar a que la materia oscura sea más fácilmente detectable», dijo Elor, investigador postdoctoral. en física teórica en JGU.

El desafío para un modelo adecuado: si la materia oscura interactúa con demasiada fuerza con la materia normal, su cantidad (conocida con precisión) formada en el universo primitivo sería demasiado pequeña, lo que contradiría las observaciones astrofísicas. Sin embargo, si se produce en la cantidad justa, la interacción sería demasiado débil para detectar la materia oscura en los experimentos actuales.

«Nuestra idea central, que subyace en el modelo HYPER, es que la interacción cambia abruptamente una vez, para que podamos tener lo mejor de ambos mundos: la cantidad correcta de materia oscura y una gran interacción para que podamos detectarla», dijo McGehee.

Y así es como los investigadores lo visualizan: en la física de partículas, una interacción suele estar mediada por una partícula específica, el llamado mediador, al igual que la interacción de la materia oscura con la materia normal. Tanto la formación de materia oscura como su detección funcionan a través de este mediador, dependiendo la fuerza de la interacción de su masa: cuanto mayor es la masa, más débil es la interacción.

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Restricciones en el plano de acoplamiento masa-nucleon del mediador debido al enfriamiento de las estrellas HB [25] y SN 1987A [12], así como desintegraciones raras de kaón [26] (sombreado gris). Crédito: Cartas de revisión física (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.031803

El mediador primero debe ser lo suficientemente pesado para que se forme la cantidad correcta de materia oscura y luego lo suficientemente ligero para que la materia oscura sea detectable. La solución: hubo una transición de fase después de la formación de la materia oscura, durante la cual la masa del mediador disminuyó repentinamente.

«Así, por un lado, la cantidad de materia oscura se mantiene constante y, por otro lado, la interacción se impulsa o fortalece de tal manera que la materia oscura debería ser directamente detectable», dijo Pierce.

El nuevo modelo cubre casi todo el rango de parámetros de los experimentos planificados
«El modelo HYPER de materia oscura puede cubrir casi todo el rango que los nuevos experimentos hacen accesible», dijo Elor.

Específicamente, el equipo de investigación primero consideró que la sección transversal máxima de la interacción mediada por mediadores con los protones y neutrones de un núcleo atómico era consistente con las observaciones astrofísicas y ciertas desintegraciones de la física de partículas. El siguiente paso fue considerar si había un modelo para la materia oscura que exhibiera esta interacción.

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«Y aquí se nos ocurrió la idea de la transición de fase», dijo McGehee. «Luego calculamos la cantidad de materia oscura que existe en el universo y luego simulamos la transición de fase usando nuestros cálculos».

Hay muchas limitaciones a tener en cuenta, como una cantidad constante de materia oscura.

«Aquí, tenemos que considerar e incluir sistemáticamente muchos escenarios, por ejemplo, hacer la pregunta de si es realmente seguro que nuestro mediador no conduzca repentinamente a la formación de nueva materia oscura, lo que por supuesto no debe ser», dijo Elor. . «Pero al final, nos convencimos de que nuestro modelo HYPER funciona».

La investigación se publica en la revista Physical Review Letters.

SourceSKYCR.ORG
Skycr_editor
Skycr_editorhttps://hdavila.com/
Homer Dávila. Máster en geología. Miembro de la International Meteor Organization. Astronomía, radioastronomía, cosmología y ciencia planetaria.
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