miércoles, 9 de noviembre de 2016

LOS ORÍGENES DE LA MATERIA OSCURA

Las estrellas en algunas galaxias espirales giran rápidamente. Según las leyes de la mecánica de Newton, la velocidad de una estrella a lo largo de su órbita depende de la masa de la galaxia contenida dentro de la órbita de la estrella. Sin embargo la masa visible es mucho menor que lo esperado. ¿Dónde está la masa que falta?  Crédito: Astroverada.com

Los teóricos piensan que la materia oscura fue forjada en las consecuencias del Big Bang.

Las transiciones están por todas partes. El agua se congela, se funde o se hierve; los enlaces químicos se rompen y forman para fabricar nuevas sustancias a partir de diferente ordenamiento de los átomos.

El universo mismo pasó por importantes transiciones en los primeros tiempos. Nuevas partículas fueron creadas y destruidas continuamente hasta que las cosas se enfriaron lo suficiente para permitirles sobrevivir.
Esas partículas incluyen las que conocemos, como el Bosón de Higgs o el Quark Top (Superior). Pero también podrían incluir la materia oscura, partículas invisibles que actualmente sólo conocemos debido a sus efectos gravitatorios.

En términos cósmicos, las partículas de materia oscura podrían ser una "reliquia térmica", forjada en el universo temprano caliente y luego dejada atrás durante las transiciones a eras más moderadas. Una de estas transiciones, conocida como "freeze-out", cambió la naturaleza de todo el universo.
  
El congelador cósmico caliente

En promedio, el universo de hoy es un lugar bastante aburrido. Si se elige un lugar aleatorio en el cosmos, es mucho más probable que esté en el espacio intergaláctico que, digamos, el corazón de una estrella o incluso dentro de un sistema solar alienígena. Ese lugar es probablemente frío, oscuro y tranquilo.
No puede decirse lo mismo  para un lugar aleatorio poco después del Big Bang.

"El universo era tan caliente que las partículas que se producen a partir de fotones y que se rompen en otros fotones; de fotones que chocan con electrones, y  electrones que al golpear positrones generan la producción de estas partículas que son muy pesadas", dice Matthew Buckley de la Universidad de Rutgers.

El cosmos entero era un partido que rompía las partículas, pero cada fiesta no estaba destinada a durar; este duró sólo un billón de segundo. Después de eso vino el congelamiento cósmico. Durante el congelamiento, el universo se expandió y se enfrió lo suficiente para que las partículas chocaran con menos frecuencia pero catastróficamente.

Un milagro maravilloso, el WIMP

Una razón para pensar en la materia oscura como una reliquia térmica es una interesante coincidencia conocida como el "Milagro WIMP".
WIMP sigla en inglés de Weakly Interacting Massive Particles que significa "Partícula Masiva de Interacción Débil" -  son los candidatos más aceptados para la materia oscura.
La teoría dice que los WIMP son probablemente más pesados ​​que los protones e interactúan a través de la fuerza débil, o al menos interaccionan  relacionados con la fuerza débil.

El último bit es importante, porque el congelamiento de una partícula específica depende de qué fuerzas lo afectan y de la masa de la partícula. Las reliquias termal hechas por la fuerza débil nacieron temprano en la historia del universo porque las partículas necesitan ser atascadas para que la fuerza débil, que trabaja solamente a través de distancias cortas, sea un factor.
"Si la materia oscura es una reliquia térmica, puedes calcular cuán grande debe ser la interacción entre las partículas de materia oscura", dice Buckley.

Tanto la luz primordial conocida como fondo de microondas cósmico,  como el comportamiento de las galaxias, nos dicen que la mayoría de la materia oscura debe ser de movimiento lento ( "frío" en el lenguaje de la física). Esto significa que las interacciones entre las partículas de materia oscura deben ser de baja intensidad.
"A través de lo que es tal vez un hecho muy profundo sobre el universo", dice Buckley, "esa interacción resulta ser la fuerza de lo que conocemos como la fuerza nuclear débil".
Ése es el milagro de WIMP: Los números son perfectos para hacer la cantidad justa de materia WIMPy.

La gran captura, sin embargo, es que los experimentos no han encontrado ningún WIMP todavía. Es demasiado pronto para decir WIMPs no existen, pero descarta algunas de las predicciones teóricas más simples sobre ellos.

En última instancia, el milagro WIMP podría ser una coincidencia. En lugar de la fuerza débil, la materia oscura podría implicar una nueva fuerza de la naturaleza que no afecta a la materia ordinaria lo suficientemente fuerte para detectar. En ese escenario, dice Jessie Shelton de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, "Podrías tener congelación térmica, pero el congelamiento es de materia oscura a algún otro campo oscuro en lugar de [algo en] el Modelo Estándar".
En ese escenario, la materia oscura seguiría siendo una reliquia térmica, pero no un WIMP.
Para Shelton, Buckley y muchos otros físicos, la búsqueda de materia oscura todavía está llena de posibilidades.

"Tenemos razones realmente convincentes para buscar WIMPs térmicos", dice Shelton "Vale la pena recordar que este es sólo un pequeño rincón de un espacio mucho más amplio de posibilidades".
Fuente: Compilado de Symmetry 11.agosto.2016 (Fermilab) Revista en línea – Matthew R. Francis

Traducción libre de SOCA

Lectura complementario del tema: ¿Hay una partícula de energía oscura?

¿HAY UNA PARTÍCULA DE ENERGÍA OSCURA?

Según estimaciones, que se resumen en este gráfico de la NASA, alrededor del 70% del contenido energético del Universo, consiste en energía oscura, cuya presencia se infiere en su efecto sobre la expansión del Universo, pero sobre cuya naturaleza última se desconoce del todo. Crédito: Wikimedia Commons

Una partícula teórica que se adapta podría explicar la  expansión acelerada del Universo.
Nuestro Universo crece  y se hace un poco más grande cada día, el espacio vacío se expande, las galaxias se separan más y más, incluso la luz estelar que atraviesa esta “hinchazón de nada” se estira cual  goma elástica.
Es abrumadora la evidencia astronómica de la acelerada  expansión del Universo; pero ¿Qué es lo que está apartándolo?
Se esfuerzan los físicos de partículas en responder a  preguntas tales como cuáles son las leyes más fundamentales de la naturaleza. Pregunta que los tiene en aprieto ya que es diferente a todo lo demás.

Amol Upadhye un teórico en post-doctorado en la Universidad de Wisconsin, Madison ha dicho: “Si entendemos a la gravedad correctamente, entonces hay alguna otra sustancia en el universo que compone aproximadamente los dos tercios de la densidad total de energía y que se comporta de manera totalmente diferente a la materia normal; así que el gran misterio es, ¿Qué es esto?”
  
Esta materia es energía oscura, pero aparte de su ostensible efecto empujador en el cosmos, los científicos saben muy poco. Sin embargo, los teóricos como Upadhye sospechan que si realmente hay algo que  está causando el espacio vacío para expandirse, y hay una buena probabilidad de que se debe a la producción de una partícula oscura.

Pero para acoplarse con la observación cosmológica, una partícula de energía oscura requeriría una serie de propiedades desconcertantes. Por un lado, tendría que comportarse como un “camaleón”, es decir, que necesitaría algo semejante para alterar sus propiedades en función de su entorno.

Esta partícula, en las profundidades del espacio “vacío”, y  casi sin masa, minimiza su atracción gravitatoria a otras partículas. Pero aquí en la Tierra (y en cualquier otra región densamente poblada del espacio), esta partícula cual camaleón, tendría que hincharse hasta tener una masa mucho mayor, la cual limitaría su capacidad para interactuar fácilmente con la materia ordinaria al mismo tiempo que la hace casi invisible para la mayoría de los detectores.
Upadhye comenta: “Si la materia fuera música, entonces la materia ordinaria sería como las teclas de un piano; cada partícula tiene una masa discreta,  al igual que cada tecla de piano toca una sola nota. Pero las partículas de camaleón sería como la diapositiva en un trombón y capaz de cambiar sus lanzamientos en función de la cantidad de ruido de fondo”.

Además de una masa deslizante, las partículas camaleones necesitarían ejercer una presión negativa. Clásicamente, la presión es la fuerza que las partículas ejercen en su recipiente. Cuando el recipiente está hecho de materia (como el caucho de un globo), se expande a medida que aumenta la presión interna, y se relaja de nuevo a la normalidad cuando la presión disminuye. Pero cuando el contenedor está hecho de nada, es decir, el recipiente es el espacio-tiempo, el efecto inverso sucede. Por ejemplo, cuando un globo de cumpleaños se llena de aire, el espacio vacío circundante se contrae ligeramente. Pero cuando el globo libera aire y la presión disminuye, el espacio vuelve a la normalidad.

Todas las partículas conocidas contraen el espacio a medida que aumentan su presión y relajan el espacio cuando su presión se aproxima a cero. Pero para expandir realmente el espacio, una partícula necesitaría ejercer una presión negativa - una idea que es totalmente ajena en nuestro mundo físico macroscópico pero no imposible en una escala subatómica.
“Esta fue en realidad la idea de Einstein", dice Upadhye "Si metes una sustancia con una presión negativa en las ecuaciones de la relatividad general obtienes esta expansión acelerada del universo".

Una partícula que se desplaza en masa y que se expande en el espacio sería diferente a cualquier otra cosa en física. Pero los físicos esperan que si tal partícula existe, sería abundante tanto en las profundidades del espacio como aquí en nuestro propio sistema solar. Varios experimentos han buscado indirectamente partículas camaleón vigilando de cerca las propiedades de la materia ordinaria y buscando cualquier efecto parecido al camaleón. Pero mediante el Telescopio Solar del CERN Axion, o el Experimento CAST, esperan capturar camaleones directamente a medida que  se  irradian del sol.
"El Sol es nuestra mayor fuente de partículas", dice Konstantin Zioutas, portavoz del experimento CAST. "Si los camaleones existen, entonces podrían copiosamente ser producidos en el Sol."

El Experimento CAST es un telescopio especializado que busca partículas raras y exóticas que emanan del Sol y del universo primitivo. Zioutas y sus colegas recientemente instalaron una lupa especial dentro de CAST que recoge y concentra partículas en una membrana altamente sensible suspendida en una cavidad electromagnética resonante. Su esperanza es que si las partículas  camaleón existen y son producidas por el Sol, registrarán  la presión muy pequeña que estas partículas de flujo deben ejercer mientras que se reflejan de la membrana cuando el Sol está en la visión.

Hasta ahora no han visto nada inesperado, pero nuevas mejoras  harán que su experimento sea aún más sensible tanto a las partículas camaleones solares como a otros exóticos fenómenos de origen cósmico.
"El misterio de la energía oscura es el mayor reto de la física, y nada de lo que entendemos actualmente puede explicarlo", dice Zioutas. "Tenemos que mirar el exótico de la exótica para posibles soluciones."

Fuente: Compilado de Symmetry 11.mar.2016 (Fermilab) Revista en línea - Sarah Charley

Traducción libre  de SOCA