VERSIÓN INVISIBLE DE UN PIÓN EXPLICARÍA LA MATERIA OSCURA DEL UNIVERSO

La materia oscura es la materia misteriosa que los cosmólogos creen que constituye alrededor del 85 por ciento de toda la materia en el universo. Una nueva teoría dice que la materia oscura podría parecerse a una partícula conocida. Si fuera cierto, esto abriría una ventana a una versión invisible y de materia oscura de la física.

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Simulación y mapa de la “materia oscura” (en negro).  Fuente: Popular Science

La única forma en que la materia oscura interactúa con lo demás, es a través de la gravedad. Si se vierte la materia oscura en un cubo, pasará a través de él, ya que no reacciona al electromagnetismo. La materia oscura tampoco refleja o absorbe la luz. Es, por tanto, invisible e intangible.

Los científicos descubrieron su existencia por la forma en que se comportan las galaxias. La masa de las galaxias, calculadas a partir de la materia visible que contienen, no es suficiente para mantenerlas ligadas entre sí. Más tarde, las observaciones de las lentes gravitacionales, en las que la luz se curva en presencia de campos de gravedad, mostraron que hay algo que hace los cúmulos de galaxias más masivos de lo que pueden verse.

Piones Invisibles

Ahora, un equipo de cinco físicos, ha propuesto que la materia oscura podría ser una versión invisible e intangible de un pión, una partícula que fue descubierta originalmente en la década de 1930. Un pión es un tipo de mesón (una categoría de partículas formadas por quarks y antiquarks; los piones neutros viajan entre protones y neutrones y se unen en los núcleos atómicos).

particulas0801La mayoría de las propuestas sobre la materia oscura, asume que se compone de partículas que no interactúan mucho entre sí (pasan unas a través de otras, rozándose suavemente). El nombre de estas partículas es partículas masivas de interacción débil, o WIMPs (siglas en inglés). Otra idea es, que la materia oscura está compuesta de axiones, partículas hipotéticas que podrían resolver algunas preguntas sin respuesta sobre el Modelo Estándar de la física de partículas. Los axiones tampoco interactúan fuertemente entre sí.

La nueva propuesta asume que los piones de materia oscura interactúan mucho más fuertemente entre sí. Cuando las partículas se tocan, se destruyen parcialmente y se convierten en materia normal. “Es una SIMP (siglas en inglés de “strongly interacting massive particle” o partícula masiva de fuerte interacción)”, dijo Yonit Hochberg, un investigador postdoctoral en Berkeley y autor principal del estudio, “de fuerte interacción con sí misma”.

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Estructura de un pión (izquierda) y un SIMP (derecha).  Credit: Kavli IPMU

Para destruir la materia normal, las partículas deben chocar en un patrón “de tres a dos”, en el que tres partículas de materia oscura se encuentran. Algunos “quarks” de materia oscura hacen que las partículas se destruyan y se conviertan en materia normal, dejando un poco de materia oscura detrás. Con esta relación, el resultado dejaría la proporción correcta de materia oscura a materia normal en el universo actual.

Esta nueva explicación sugiere que, en el universo temprano los piones oscuros habrían colisionado entre sí, reduciendo la cantidad de materia oscura. Pero a medida que el universo se expandió, las partículas chocan menos y con menor frecuencia, hasta ahora, que se propagan tan escasamente, que a penas se encuentran.

La interacción tiene un gran parecido a lo que ocurre con los piones cargados en la naturaleza. Estas partículas se componen de un quark arriba y un quark anti-abajo. (Los quarks pueden ser de seis tipos: up/arriba, down/abajo, top/cima, bottom/fondo, charm/encanto y strange/extraño) Cuando tres piones se encuentran, se destruyen parcialmente y se convierten en dos piones.

“La teoría se basa en algo similar – algo que ya sucede en la naturaleza”, dijo Eric Kuflik, investigador postdoctoral en la Universidad de Cornell en Nueva York y coautor del estudio.

Diferentes tipos de pión

Para que la nueva explicación funcione, los piones de materia oscura tendrían que estar hechos de algo diferente a la materia normal. Eso es porque cualquier cosa hecha de quarks normales, simplemente no se comportaría de la forma que la materia oscura lo hace, al menos no en los cálculos del grupo. (Hay teorías sobre que los quarks extraños podrían componer la materia oscura).

Los piones cargados están formados por un quark arriba y un quark anti-abajo, o un quark abajo y otro anti-arriba, mientras que los piones neutros están hechos de un quark arriba más un anti-arriba o un quark abajo, más un anti-abajo.

En la nueva hipótesis, los piones de materia oscura están formados por quarks de materia oscura que se mantienen unidos por gluones de materia oscura. (Los quarks ordinarios se mantienen unidos por gluones normales.) Los quarks oscuros no serían como los conocidos, de seis tipos, y el gluón oscuro, a diferencia de los gluones ordinarios, tendría masa, de acuerdo con las matemáticas.

Piones oscuros y galaxias enanas

Otro co-autor del artículo, Hitoshi Murayama, profesor de física en la Universidad de California, Berkeley, dijo que la nueva hipótesis ayudaría a explicar la densidad de ciertos tipos de galaxias enanas. Las simulaciones por ordenador, muestran galaxias enanas con las regiones centrales muy densas, pero eso no es lo que los astrónomos ven en el cielo. “Si los SIMPs se extienden, la distribución es más plana – que funcionaría mejor” dijo.

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Galaxia enana irregular de Sagitario                     (NASA, ESA, Hubble)

Dan Hooper, un científico del Laboratorio Nacional Fermi, en Illinois, dijo que no está convencido de que este modelo de materia oscura sea necesario para explicar el enigma de galaxia enana. “Hay un puñado de personas que dice que las enanas no son como esperamos”, dijo. “¿Pero usted necesita alguna otra propiedad para resolver eso? Se ha demostrado que podría ser el calentamiento de gas.” Es decir, el gas que se calienta en el centro de una galaxia enana sería menos denso.

El Gran Colisionador de Hadrones pronto podría ofrecer una idea de qué campo es correcto; si estos nuevos y extraños “piones oscuros” son la materia oscura no lo son y hay algo más. Los aceleradores de partículas funcionan cogiendo los núcleos atómicos (generalmente hidrógeno, pero a veces, elementos más pesados, como el plomo) y colisionándolos a casi la velocidad de la luz. De la explosión resultante, se dispersan nuevas partículas, que nacen de la energía de la colisión. En ese sentido las partículas son la “metralla”.

Kuflik dijo, que si hubiera masa “desaparecida” (más precisamente, la masa-energía) en la colisión de partículas, sería un fuerte indicador de la materia oscura que los investigadores están buscando. Esto se debe a que la masa y la energía se conservan; si los productos de una colisión no corresponden a la misma cantidad de masa y energía que al comenzar, eso significa que, en alguna parte, puede haber una partícula hasta ahora desconocida que escapó de la detección.

Estas mediciones son difíciles de hacer, sin embargo, por lo que tendrán que tamizar una gran cantidad de datos, para ver si eso ocurre y qué explicación tiene.

Otra forma de localizar partículas de materia oscura, podría estar en un detector hecho con xenón o germanio líquido, en el que los electrones serían golpeados fuera del átomo, por la pasada de una partícula de materia oscura. Ya hay un experimento así, el Large Underground Xenon project (LUX) en Dakota del Sur. Sin embrago, no se encontró nada todavía, pero se centró en las WIMPs. Hay planificada una nueva versión del experimento; que podría detectar otros tipos de partículas de materia oscura.

El equipo está trabajando actualmente en un documento sobre los tipos de observaciones que detectarían este tipo de materia oscura. “Actualmente estamos trabajando en la redacción de maneras explícitas en las que, estos piones oscuros podrían interactuar con la materia ordinaria”, dijo Hochberg.

El estudio aparece en la edición del 10 de julio de la revista Physical Review Letters.

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