El modelo estándar de cosmología nos dice que solo el 4.9% del Universo está compuesto de materia ordinaria (es decir, lo que podemos ver), mientras que el resto consiste en 26.8% de materia oscura y 68.3% de energía oscura. Como sugieren los nombres, no podemos verlos, por lo que su existencia ha tenido que inferirse a partir de modelos teóricos, observaciones de la estructura a gran escala del Universo y sus aparentes efectos gravitacionales sobre la materia visible.
Desde que se propuso por primera vez, no ha habido escasez de sugerencias sobre el aspecto de las partículas de materia oscura. No hace mucho tiempo, muchos científicos propusieron que la materia oscura consiste en partículas masivas de interacción débil (WIMP), que son aproximadamente 100 veces la masa de un protón pero interactúan como neutrinos. Sin embargo, todos los intentos de encontrar WIMP utilizando experimentos de colisionadores han quedado vacíos. Como tal, los científicos han estado explorando la idea últimamente de que la materia oscura puede estar compuesta de algo completamente diferente.
Los modelos cosmológicos actuales tienden a suponer que la masa de materia oscura es de alrededor de 100 Gev (Giga-electrovoltios), lo que corresponde a la escala de masa de muchas de las otras partículas que interactúan a través de la fuerza nuclear débil. La existencia de dicha partícula sería consistente con extensiones supersimétricas del Modelo Estándar de física de partículas. Se cree además que tales partículas se habrían producido en el Universo caliente, denso y temprano, con una densidad de masa de materia que se ha mantenido constante hasta nuestros días.
Sin embargo, los esfuerzos experimentales en curso para detectar WIMP no han logrado producir ninguna evidencia concreta de estas partículas. Estos incluyen la búsqueda de productos de aniquilación de WIMP (es decir, rayos gamma, neutrinos y rayos cósmicos) en galaxias y cúmulos cercanos, así como experimentos de detección directa utilizando supercolliders, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) CERN en Suiza.
Debido a esto, muchos equipos de investigadores han comenzado a considerar mirar más allá del paradigma de WIMP para encontrar Dark Matter. Uno de estos equipos está formado por un grupo de cosmólogos del CERN y CP3-Origins en Dinamarca, que recientemente publicaron un estudio que indica que Dark Matter podría ser mucho más pesado y mucho menos interactivo de lo que se pensaba.
Como el Dr. McCullen Sandora, uno de los miembros del equipo de investigación de CP-3 Origins, le dijo a Space Magazine por correo electrónico:
"Todavía no podemos descartar el escenario WIMP, pero con cada año que pasa se hace cada vez más sospechoso de que no hayamos visto nada". Además, la física de escala débil habitual sufre el problema de la jerarquía. Es decir, por qué todas las partículas que conocemos son tan ligeras, especialmente con respecto a la escala de gravedad natural, la escala de Planck, que es 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 esto también explicaría por qué no hemos visto las firmas asociadas con los WIMP ".
Usando un nuevo modelo que llaman Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), el equipo ha estado explorando el límite superior de la masa de materia oscura. Mientras que los WIMP colocan la masa de materia oscura en el límite superior de la escala electrodébil, el equipo de investigación danés de Marthias Garny, McCullen Sandora y Martin S. Sloth propuso una partícula con una masa cercana a otra escala natural por completo: la escala de Planck.
En la escala de Planck, una sola unidad de masa es equivalente a 2.17645 × 10-8 kg - aproximadamente un microgramo, o 1019 veces mayor que la masa de un protón. En esta masa, cada PIDM es esencialmente tan pesado como una partícula puede ser antes de convertirse en un agujero negro en miniatura. El equipo también teoriza que estas partículas PIDM interactúan con la materia ordinaria solo a través de la gravitación y que un gran número de ellas se formaron en el Universo temprano durante la época de "recalentamiento", un período que ocurrió al final de la Época Inflacionaria, unos 10-36 t0 10-33 o 10-32 segundos después del Big Bang.
Esta época se llama así porque, durante la inflación, se cree que las temperaturas cósmicas han disminuido en un factor de aproximadamente 100,000. Cuando terminó la inflación, las temperaturas volvieron a su temperatura preinflacionaria (se estima que 1027 K) En este punto, la gran energía potencial del campo de inflación se descompuso en partículas del Modelo Estándar que llenaron el Universo, lo que habría incluido la Materia Oscura.
Naturalmente, esta nueva teoría viene con su cuota de implicaciones para los cosmólogos. Por ejemplo, para que este modelo funcione, la temperatura de la época de recalentamiento debería haber sido más alta de lo que se supone actualmente. Además, un período de recalentamiento más cálido también daría como resultado la creación de ondas gravitacionales más primordiales, que serían visibles en el Fondo de microondas cósmico (CMB).
"Tener una temperatura tan alta nos dice dos cosas interesantes sobre la inflación", dice Sandora. "Si la materia oscura resulta ser un PIDM: la primera es que la inflación ocurrió a una energía muy alta, lo que a su vez significa que fue capaz de producir no solo fluctuaciones en la temperatura del universo primitivo, sino también en el espacio-tiempo mismo, en forma de ondas gravitacionales. En segundo lugar, nos dice que la energía de la inflación tuvo que descomponerse en materia extremadamente rápida, porque si hubiera tardado demasiado, el universo se habría enfriado hasta el punto en que no habría podido producir ningún PIDM en absoluto ".
La existencia de estas ondas gravitacionales podría confirmarse o descartarse en futuros estudios que involucren el Fondo cósmico de microondas (CMB). Esta es una noticia emocionante, ya que se espera que el reciente descubrimiento de ondas gravitacionales conduzca a nuevos intentos de detectar ondas primordiales que se remontan a la creación misma del Universo.
Como explicó Sandora, esto presenta un escenario de beneficio mutuo para los científicos, ya que significa que este último candidato para Dark Matter podrá probar o refutar en el futuro cercano.
“[Nuestro] escenario hace una predicción concreta: veremos ondas gravitacionales en la próxima generación de experimentos de fondo cósmico de microondas. Por lo tanto, es un escenario sin pérdidas: si los vemos, es genial, y si no los vemos, sabremos que la materia oscura no es un PIDM, lo que significa que sabemos que debe tener algunas interacciones adicionales. con materia ordinaria Y todo esto sucederá dentro de la próxima década más o menos, lo que nos da mucho que esperar ”.
Desde que Jacobus Kapteyn propuso por primera vez la existencia de Dark Matter en 1922, los científicos han estado buscando alguna evidencia directa de su existencia. Y una por una, las partículas candidatas, que van desde gravitinos y MACHOS hasta axiones, se han propuesto, pesado y encontrado que faltan. Por lo menos, es bueno saber que la existencia de esta última partícula candidata se puede probar o descartar en el futuro cercano.
¡Y si se demuestra que es correcto, habremos resuelto uno de los mayores misterios cosmológicos de todos los tiempos! Un paso más para comprender verdaderamente el Universo y cómo interactúan sus fuerzas misteriosas. Teoría de todo, aquí venimos (o no)!
