En un artículo reciente de Physical Review Letters, investigadores presentan un nuevo mecanismo que podría permitir que los fotones oscuros ultraligeros se consideren candidatos serios para la materia oscura, con prometedoras implicaciones para los esfuerzos de detección.
Se cree que alrededor del 85 % de la materia es materia oscura; sin embargo, esta esquiva sustancia sigue desconcertando a los científicos debido a su imposibilidad de observarla directamente.
Una de las candidatas a partículas de materia oscura son los fotones oscuros. Estas partículas hipotéticas son similares a los fotones regulares, pero tienen masa e interactúan débilmente con la materia normal.
Sin embargo, el progreso teórico en los modelos de materia oscura basados en fotones oscuros se ha visto obstaculizado por la «restricción de mezcla cinética».
En el universo primitivo, los fotones oscuros formaban con frecuencia redes de cuerdas cósmicas debido a la mezcla cinética con fotones ordinarios, lo que les impedía sobrevivir como partículas individuales de materia oscura.
Estas estructuras similares a cuerdas no pueden agruparse gravitacionalmente para formar halos galácticos ni reproducir las firmas de materia oscura que observamos, lo que las descalifica como candidatas viables para la materia oscura.
Los investigadores David Cyncynates, de la Universidad de Washington, y Zachary Weiner, del Instituto Perimeter de Física Teórica, han propuesto una solución novedosa que podría superar esta limitación fundamental.
«Me impresionó un estudio reciente que sugiere que muchos modelos propuestos de fotones oscuros podrían no funcionar como materia oscura», declaró Cyncynates a Phys.org.
«Esto planteó la pregunta: ¿están realmente descartados todos estos modelos o podemos encontrar escenarios que aún funcionen, especialmente aquellos que puedan ser probados por la próxima generación de experimentos?»
Liberándose de las cuerdas cósmicas
El problema de las cuerdas cósmicas surge porque los fotones oscuros suelen adquirir su masa mediante un mecanismo similar al de las partículas ordinarias: mediante la interacción con un campo llamado Higgs oscuro.
Cuando este proceso ocurre en las primeras etapas del universo a altas densidades, los fotones oscuros quedan atrapados en largas configuraciones similares a cuerdas que se extienden a lo largo de distancias cósmicas.
«Los fotones oscuros tienden a unirse en cuerdas cósmicas cuando son bastante densos en el espacio», declaró Weiner a Phys.org. «Las altas densidades son difíciles de evitar, ya que cualquier candidato a materia oscura debe haberse producido inicialmente en la historia cósmica, cuando el universo era mucho más denso».
La clave de la nueva investigación reside en la «temporización». Al retrasar la producción de fotones oscuros hasta mucho más tarde en la historia cósmica, los investigadores descubrieron que podían evitar las condiciones de densidad que conducen a la formación de cuerdas cósmicas.
«Nuestro modelo buscó minimizar este efecto retrasando lo más posible la época de producción de fotones oscuros, justo a tiempo para que desempeñen su papel como materia oscura fría durante la formación de las anisotropías del fondo cósmico de microondas», explicó Weiner.
El modelo de los investigadores introduce un campo escalar que evoluciona a lo largo del tiempo cósmico, modificando eficazmente los parámetros de la teoría a medida que el universo envejece. Este campo suprime la masa del fotón oscuro en el universo primitivo y, posteriormente, le permite crecer mediante un proceso denominado inestabilidad taquiónica.
Este mecanismo de producción retardada funciona mediante lo que los investigadores denominan «potencial desbocado». A medida que el campo escalar evoluciona, crea condiciones donde los modos transversales de fotones oscuros se vuelven inestables y crecen exponencialmente, generando la abundancia de materia oscura que observamos hoy.
«El truco reside en que este nuevo campo hace que el fotón oscuro sea mucho más ligero en el universo primitivo de lo que es hoy, lo que facilita su producción en comparación con otros escenarios», explicó Cyncynates.
Abriendo puertas a la detección
«El escenario más simple, donde los fotones oscuros se crean durante la inflación, solo funciona si son casi completamente invisibles para la materia regular, lo cual es una mala noticia para la detección», señaló Cyncynates.
«El fotón oscuro puede entonces tener interacciones más fuertes, lo que abre la puerta a la detección en experimentos de laboratorio».
Los investigadores identificaron varios experimentos futuros que podrían detectar los fotones oscuros predichos. Estos incluyen búsquedas basadas en cavidades que utilizan detectores ultrasensibles en entornos protegidos para captar las señales débiles que crearían los fotones oscuros.
«Experimentos como DM-Radio, ALPHA, Dark E-field y MADMAX podrían detectar el tipo de fotones oscuros que predice nuestro modelo», afirmó Cyncynates.
Algunos experimentos utilizan técnicas de radiofrecuencia para buscar conversiones de fotones oscuros, mientras que otros se basan en el comportamiento de la luz dentro del plasma para permitir la conversión resonante de fotones oscuros en fotones regulares.
Más allá de la detección en el laboratorio, el mecanismo de producción tardía crea señales distintivas en la formación de estructuras cósmicas. Esta producción tardía conduce a estructuras mejoradas a pequeña escala, incluyendo minihalos con masas y tamaños característicos que podrían observarse con futuros telescopios.
«Los futuros telescopios podrían detectar indicios de la estructura mejorada a pequeña escala característica de nuestra propuesta, por ejemplo, mediante la fluctuación en el movimiento o el brillo de las estrellas», explicó Weiner.
«Pero la detección directa en el laboratorio sería una evidencia esencial para sugerir que una señal astrofísica observada se debe, de hecho, a la materia oscura de fotones oscuros».
La formación mejorada de estructuras surge porque los fotones oscuros producidos en etapas tardías de la historia cósmica conservan la memoria del proceso de producción, creando fluctuaciones de densidad ausentes en los modelos convencionales de materia oscura.
El estudio proporciona objetivos experimentales concretos y predicciones observables que podrían guiar futuras investigaciones sobre materia oscura.
Implicaciones para el futuro
El modelo propuesto se centra en los fotones oscuros que adquieren masa mediante una versión oscura del mecanismo de Higgs, similar a cómo partículas ordinarias como los bosones W y Z obtienen su masa. Sin embargo, los investigadores señalan que mecanismos alternativos de generación de masa podrían enfrentar restricciones diferentes.
«Una posibilidad alternativa, la denominada masa de Stückelberg, podría no estar tan fuertemente restringida, pero actualmente se desconoce si las cuerdas cósmicas se forman ni cómo se comportan en ese caso», afirmó Weiner.
Los investigadores creen que su modelo abre un nuevo espacio de parámetros que anteriormente se creía excluido, ofreciendo nuevas esperanzas para detectar uno de los candidatos más interesantes de la materia oscura.
Con información de Physical Review Letters
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