HYPER (efectos característicos de partículas interactivas): un nuevo modelo para la materia oscura

Un equipo de investigadores ha propuesto ahora un nuevo candidato para la materia oscura: HYPER, o «Reliquias de partículas altamente interactivas».

Una transición de fase en el universo primitivo altera la fuerza de la interacción entre la materia normal y la oscura.

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

Actualmente, hay muchas propuestas de nuevos experimentos: tienen como objetivo detectar directamente la materia oscura a través de su dispersión a partir de los componentes de los núcleos atómicos del medio de detección, a saber, los protones y los neutrones.

Un equipo de investigadores, Robert McGee y Aaron Pearce de la Universidad de Michigan y Geli Ellor de la Universidad Johannes Gutenberg en Mainz, Alemania, ha propuesto un nuevo candidato a materia oscura: HYPER, o «Reliquias de partículas altamente interactivas».

En el modelo HYPER, en algún momento después de que se forme la materia oscura en el universo primitivo, su interacción con la materia ordinaria aumenta repentinamente en fuerza, lo que, por un lado, la hace detectable hoy y, al mismo tiempo, podría explicar la abundancia de oscuridad. Cosa.

Hubble Abel 1689 mapa de materia oscura

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 constituye la mayor parte de la masa del universo. Hubble no puede ver la materia oscura directamente. Los astrónomos dedujeron su ubicación al analizar el efecto de la lente gravitatoria, en la que la luz de las galaxias detrás de Abell 1689 se distorsiona por la interferencia de la materia 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. Asignaron las concentraciones de materia oscura inferidas, en azul, a una imagen del cúmulo tomada por la Cámara avanzada para encuestas del Hubble. Si la gravedad del cúmulo proviniera solo de 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 corazón del cúmulo.
Abell 1689 se encuentra a 2.200 millones de años luz de la Tierra. Foto tomada en junio de 2002.
Crédito de la imagen: NASA, ESA, D. Coe (Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA / Instituto de Tecnología de California, Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial), N. Benítez (Instituto Astrofísico de Andalucía, España), T. Broadhurst (Universidad del País Vasco, España) ) y H Ford (Universidad Johns Hopkins)

La nueva diversidad en el sector de la materia oscura

Debido a que la búsqueda de partículas pesadas de materia oscura, o 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 esperarían transiciones de fase en el sector oscuro; después de todo, hay muchas transiciones en el sector visible, dicen los investigadores. Pero los estudios previos tienden a descuidarlo.

«No ha habido un modelo consistente de materia oscura para el rango de masas que algunos experimentos planeados esperan lograr. Sin embargo, nuestro modelo HYPER muestra que la transición de fase en realidad puede ayudar a que la materia oscura sea más fácil de detectar».

El desafío para un modelo adecuado: si la materia oscura interactúa fuertemente con la materia ordinaria, entonces la cantidad (conocida con precisión) que se formó en el universo primitivo sería muy pequeña, lo que contradice las observaciones astrofísicas. Sin embargo, si se produce en la cantidad adecuada, la interacción sería demasiado débil para detectar la materia oscura en los experimentos actuales.

«Nuestra idea central, que sustenta el modelo HYPER, es que la interacción cambia repentinamente, para que podamos obtener lo mejor de ambos mundos: la cantidad correcta de materia oscura y mucha interacción para que podamos detectarla». dijo McGee.

Y así es como lo visualizan los investigadores: en la física de partículas, la interacción generalmente está mediada por una partícula en particular, el llamado medio, y también lo es la interacción de la materia oscura con la materia ordinaria. Tanto la composición de la materia oscura como su función de detección ocurren a través de este medio, y la fuerza de la interacción depende de su masa: cuanto mayor es la masa, más débil es la interacción.

El medio 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 pueda detectarse. Solución: hubo una transición de fase después de la formación de la materia oscura, en la que la masa del medio disminuyó repentinamente.

«Entonces, por un lado, la cantidad de materia oscura permanece constante y, por otro lado, la interacción se mejora o fortalece de tal manera que la materia oscura es directamente detectable», dijo Pearce.

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 ponen a disposición», dijo Ellor.

Específicamente, el equipo de investigación primero consideró que la sección transversal máxima del medio de interacción con los protones y neutrones de un núcleo atómico era consistente con las observaciones astronómicas y algunas descomposiciones de física de partículas. El siguiente paso fue ver si había un modelo de materia oscura que mostrara esta interacción.

“Y ahí es donde se nos ocurrió la idea de la transición”, dijo McGee. «Luego calculamos la cantidad de materia oscura presente en el universo y luego simulamos la transición de fase usando nuestros cálculos».

Hay una serie de limitaciones a tener en cuenta, como una cantidad fija de materia oscura.

«Aquí, tenemos que considerar e incluir sistemáticamente varios escenarios, por ejemplo, hacer la pregunta de si es realmente seguro que nuestro medio no conduzca repentinamente a la formación de nueva materia oscura, lo que por supuesto no tiene por qué suceder». dijo Ellor. . «Pero al final, estábamos convencidos de que nuestro modelo HYPER funcionaba».

Publicación de la investigación en la revista. Cartas de revisión física.

Referencia: «Maximizar la detección directa usando materia oscura de partículas altamente interactivas» por Jelly Ellor, Robert McGee y Aaron Pierce, 20 de enero de 2023, disponible aquí. Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.031803

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