El lado oscuro de la materia

Lo que vemos del Universo representa menos del cinco por ciento de su masa total: las estrellas y las galaxias son solo escombros arrojados por las olas de un mar invisible. Durante 70 años, al analizar el movimiento de las estrellas en galaxias espirales o el de las galaxias en cúmulos y supercúmulos, los astrónomos han acumulado evidencia de la existencia de una masa oculta.

Por supuesto, no se puede excluir que las leyes de gravitación sobre escalas cósmicas se modifiquen, pero generalmente asumimos que la materia oscura, que no emite ni absorbe la luz, forma bultos donde las galaxias y otras grandes estructuras del cosmos ancla, racimos y supercúmulos de galaxias. Por otro lado, no puede condensarse en estrellas, estrellas o planetas más compactos. Esta materia oscura consistiría en partículas elementales de un tipo aún desconocido. Veamos primero cómo surgió la idea de la materia oscura.

Velocidades del problema

En nuestro Sistema Solar, los planetas que orbitan alrededor del Sol siguen trayectorias elípticas respetando la segunda ley de Kepler. Esta ley estipula que la velocidad de los planetas es aún más baja ya que su distancia al Sol es grande. Por lo tanto, la Tierra, ubicada a 150 millones de kilómetros del Sol, se mueve casi 30 kilómetros por segundo, mientras que Plutón, a seis mil millones de kilómetros del Sol, solo se mueve unos cinco kilómetros por hora. Mediciones del movimiento de los planetas, deducimos sus masas.

Por desgracia, lo que funciona bien para nuestro Sistema Solar es menos relevante cuando se aplica a una galaxia espiral como la nuestra o la de Andrómeda. En estas estructuras cósmicas, la mayoría de las estrellas se reúnen cerca del centro galáctico, las otras se encuentran principalmente en los brazos espirales donde la densidad de la materia visible disminuye casi exponencialmente a medida que uno se aleja del centro de la galaxia. Como resultado, la velocidad de las estrellas dentro de los brazos espirales también debe seguir una ley exponencial. No es ! Las observaciones muestran que la velocidad de rotación de las estrellas en los brazos espirales es casi constante. Para explicar esta dinámica, los físicos han agregado un halo de materia oscura más de cinco veces más masivo, distribuido alrededor de la parte «visible» de la galaxia. Un déficit masivo también aparece al estudiar la dinámica de los cúmulos de galaxias. Según esto, el 90 por ciento del material que los compondría es invisible para nuestros instrumentos.

¿Cuál es la naturaleza de esta misteriosa materia oscura? ? Durante algunos años, los objetos de materia ordinaria, como los asteroides, los planetas extrasolares o las estrellas de neutrones, se han afirmado como un componente de la materia oscura. Sin embargo, estudios posteriores han demostrado que no puede ser material «bariónico», es decir, protones, neutrones o cualquier cosa que alguna vez consistiera en protones o neutrones, como estrellas masivas que se habrían convertido en agujeros negros.

La materia ordinaria no pesa

De hecho, la teoría del Big Bang establece la cantidad de materia bariónica que estuvo presente en los primeros minutos de la historia cósmica: este asunto participó en la «nucleosíntesis primordial», reacciones de fusión nuclear en el origen de los primeros elementos químicos. Sin embargo, las cantidades de helio, deuterio y litio que se produjeron de esta manera se conocen con bastante precisión, e indican que nunca ha habido suficiente material bariónico para constituir toda la masa del Universo, incluida la materia oscura.

Además, las partículas de materia oscura deben ser eléctricamente neutrales, de lo contrario serían sensibles a la fuerza eléctrica, interactuarían con protones y electrones de materia ordinaria e irradiarían ondas electromagnéticas. En resumen, perderían su proverbial discreción.

Los candidatos no bariónicos ingresaron a la competencia. Los neutrinos, distintos de los bariones, eléctricamente neutrales y reacios a interactuar con la materia ordinaria han sido durante mucho tiempo los principales candidatos. Sin embargo, la masa que se les ha atribuido recientemente es demasiado baja para que constituyan una fracción significativa de materia oscura. La contribución de los neutrinos sería del mismo orden de magnitud que la de las estrellas.

Además, precisamente debido a su baja masa, la velocidad promedio de los neutrinos fue muy alta en los primeros días del Universo: están calificados como «materia oscura caliente». Sin embargo, si la mayor parte de la materia oscura hubiera estado caliente, habría dispersado los bultos de plasma primordial que desde entonces han formado galaxias y cúmulos de galaxias. La mayor parte de la materia oscura debe ser necesariamente «fría», es decir, la velocidad promedio de las partículas de materia oscura fue significativamente menor que la de la luz en los primeros días de la historia cósmica.

Entonces, los físicos y astrofísicos están buscando una partícula que se parezca un poco al neutrino, pero mucho más lenta y masiva. El modelo estándar de física de partículas elementales no proporciona tal cosa, pero ciertas extensiones del modelo estándar, desarrollado por razones independientes de la astronomía, ofrecen muchos candidatos plausibles. Entre estas extensiones, la más estudiada es la supersimetría.

Supersimetría al rescate

Esta nueva simetría de la naturaleza, postulada por físicos de partículas, asocia con cada partícula de espín entero (o bosón) una partícula de espín medio entero (o fermión), y viceversa. Cada partícula conocida, por lo tanto, tiene un «supercompañero», la supersimetría predice la existencia de nuevas partículas, lo que la hace atractiva para los cazadores de materia oscura.

El que más llama la atención es el neutralino, un fermión supercompañero tanto del fotón (bosón que transmite la fuerza electromagnética) como del bosón z ° (que transmite la débil interacción nuclear). Neutralino es más pesado que todas las partículas conocidas, pero es la más ligera de las partículas supersimétricas. Por esta razón, el neutralino es necesariamente estable.

Además, de acuerdo con las características calculadas del neutralino, la masa total de estas partículas corresponde bastante bien a la de la materia oscura en el Universo actual. Esta adecuación es un argumento a favor de una materia oscura fría que consiste esencialmente en neutrinos.

Las teorías superimétricas predicen que los neutrinos son sensibles a una interacción que no sea la gravitación: interacción nuclear débil. La gran mayoría de los neutrinos que golpearían un muro de plomo de miles de kilómetros de espesor lo cruzarían de manera segura. Sin embargo, en ocasiones, una de estas partículas interactuaría con un núcleo en la pared de plomo y le transferiría una pequeña parte de su energía.

Aunque tales eventos tienen efectos mínimos y son muy poco probables, los físicos tienen la esperanza de observarlos gracias al número gigantesco de neutrinos que se supone que constituyen la mayor parte de la masa de la Vía Láctea. La probabilidad de que los neutrinos interactúen con la materia ordinaria sería entre 0.1 y 0.0001 evento por kilogramo por día. Sin embargo, la sensibilidad de los detectores actuales acaba de cruzar el límite superior de este marco.

Si encontramos el neutralino, este sería uno de los mayores descubrimientos del siglo XXI, cuyas consecuencias serían múltiples. Los aceleradores de partículas, como el gran cérvido hadrónico (el lhc), podrían crear estas partículas de materia oscura en condiciones experimentales controladas. Además, la confirmación de la supersimetría implicaría la existencia de una gran cantidad de nuevas partículas que esperan ser reveladas y reforzaría la teoría de las supercuerdas de la cual los físicos han sacado la idea de la supersimetría. Finalmente, el mayor misterio de la astronomía moderna ya no sería uno.

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