6 de febrero de 2023

Nuevo modelo buscar detectar directamente la materia oscura

El estudio de la materia oscura es uno de los grandes retos actuales de la ciencia.

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(EUROPA PRESS) – Un equipo de investigadores ha propuesto un nuevo candidato para el elusivo ingrediente del Universo solo inferido por la gravedad que es la materia oscura: HYPER (HighlY Interactive ParticlE RelICS).

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

Actualmente, hay muchas propuestas de nuevos experimentos: Su objetivo es detectar directamente la materia oscura mediante su dispersión a partir de los constituyentes de los núcleos atómicos de un medio de detección, es decir, protones y neutrones.

En el modelo HYPER, algún tiempo después de la formación de la materia oscura en el universo primitivo, la fuerza de su interacción con la materia normal aumenta bruscamente, lo que, por un lado, la hace potencialmente detectable en la actualidad y, al mismo tiempo, puede explicar la abundancia de esta materia.

Dado que la búsqueda de partículas pesadas de materia oscura, o las llamadas WIMPS, aún no ha conducido al éxito, la comunidad investigadora busca partículas alternativas de materia oscura, especialmente más ligeras. Al mismo tiempo, es de esperar que se produzcan transiciones de fase en el sector oscuro; después de todo, hay varias en el sector visible, afirman los investigadores. Pero los estudios anteriores han tendido a pasarlas por alto.

“No ha habido un modelo de materia oscura consistente para el rango de masas al que algunos experimentos planeados esperan acceder. Sin embargo, nuestro modelo HYPER ilustra que una transición de fase puede ayudar a que la materia oscura sea más fácilmente detectable”, afirma en un comunicado el coautor Gilly Elor, investigador postdoctoral en física teórica de Universidad Johannes Guttenberg.

Si esta materia no detectada interactúa demasiado fuertemente con la materia normal, su cantidad (conocida con precisión) formada en el universo primitivo sería demasiado pequeña, lo que contradiría las observaciones astrofísicas. Sin embargo, si se produce en la cantidad justa, la interacción sería, por el contrario, demasiado débil para detectarla en los experimentos actuales.

“Nuestra idea central, que subyace en el modelo HYPER, es que la interacción cambia bruscamente una vez, de modo que podemos tener lo mejor de ambos mundos: la cantidad adecuada de materia oscura y una gran interacción para poder detectarla”, afirma el coautor Robert McGehee, de la Universidad de Michigan.

Y así es como se lo imaginan los investigadores: En física de partículas, una interacción suele estar mediada por una partícula específica, un mediador, y lo mismo ocurre con la interacción de la oscura con la materia normal. Tanto la formación de la materia oscura como su detección funcionan a través de este mediador, y la fuerza de la interacción depende de su masa: Cuanto mayor es la masa, más débil es la interacción.

El mediador debe ser primero lo suficientemente pesado para que se forme la cantidad correcta de materia oscura y después lo suficientemente ligero para que esta materia sea detectable en absoluto. La solución: Tras la formación de la materia oscura se produjo una transición de fase, durante la cual la masa del mediador disminuyó repentinamente.

“Así, por un lado, la cantidad de materia oscura se mantiene constante y, por otro, la interacción se potencia o refuerza de tal manera que la materia oscura debería ser directamente detectable”, afirma el coautor Aaron Pierce, también de la Universidad de Michigan.

“El modelo HYPER de materia oscura es capaz de cubrir casi todo el rango que los nuevos experimentos hacen accesible”, dijo Elor.

En concreto, el equipo de investigación consideró primero que la sección transversal máxima de la interacción mediada por el mediador con los protones y neutrones de un núcleo atómico era coherente con las observaciones astrológicas y ciertas desintegraciones de la física de partículas. El siguiente paso fue considerar si existía un modelo de materia oscura que presentara esta interacción.

“Y aquí se nos ocurrió la idea de la transición de fase”, explicó McGehee. “Luego calculamos la cantidad de materia oscura que existe en el universo y después simulamos la transición de fase utilizando nuestros cálculos”.

Hay que tener en cuenta muchas restricciones, como una cantidad constante de esta materia.

“Aquí tenemos que considerar sistemáticamente e incluir muchísimos escenarios, por ejemplo, plantearnos la pregunta de si es realmente seguro que nuestro mediador no conduzca de repente a la formación de nueva materia oscura, lo que por supuesto no debe ser así”, dijo Elor. “Pero al final, nos convencimos de que nuestro modelo HYPER funciona”.

La investigación se publica en la revista Physical Review Letters. Más sobre este tema:

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