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La materia oscura podría ser una reliquia cósmica de dimensiones extra

La imagen destacada de Hayden Planetarium Space Show Dark Universe del Museo Americano de Historia Natural destaca un ejemplo de cómo la materia oscura omnipresente podría acechar nuestro universo. En este cuadro de una simulación por computadora detallada, filamentos complejos de materia oscura, que se muestran en negro,están esparcidos por el universo como telas de araña, mientras que los grupos relativamente raros de materia bariónica familiar son de color naranja. Estas simulaciones son buenas coincidencias estadísticas con las observaciones astronómicas. En lo que quizás sea un giro de los acontecimientos más aterrador, la materia oscura, aunque bastante extraña yen una forma desconocida, ya no se cree que sea la fuente de gravedad más extraña del universo. Ese honor ahora recae en la energía oscura, una fuente más uniforme de gravedad repulsiva que ahora parece dominar la expansión de todo el universo. Crédito de la imagen: Crédito de la ilustración y derechos de autor Tom Abel y Ralf Kaehler KIPAC, SLAC, AMNH

La materia oscura, la sustancia escurridiza que representa la mayor parte de la masa del universo, puede estar formada por partículas masivas llamadas gravitones que surgieron por primera vez en el primer momento después del Big Bang. Y estas partículas hipotéticas podrían ser cósmicasrefugiados de dimensiones extra, sugiere una nueva teoría.

Los cálculos de los investigadores insinúan que estas partículas podrían haber sido creadas en las cantidades justas para explicar materia oscura, que solo puede ser "visto" a través de su atracción gravitacional sobre la materia ordinaria. "Los gravitones masivos son producidos por colisiones de partículas ordinarias en el universo primitivo. Se creía que este proceso era demasiado raro para que los gravitones masivos fueran candidatos a materia oscura", dijo a Rhythm89 el coautor del estudio Giacomo Cacciapaglia, físico de la Universidad de Lyon en Francia.

Pero en un nuevo estudio publicado en febrero en la revista Cartas de revisión física se abre en una pestaña nueva, Cacciapaglia, junto con los físicos de la Universidad de Corea Haiying Cai y Seung J. Lee, descubrieron que se habrían producido suficientes gravitones en el universo primitivo para dar cuenta de toda la materia oscura que detectamos actualmente en el universo.

Los gravitones, si existen, tendrían una masa de menos de 1 megaelectronvoltio MeV, por lo que no más del doble de la masa de un electrón, encontró el estudio. Este nivel de masa está muy por debajo de la escala en la que bosón de Higgs genera masa para la materia ordinaria, que es clave para que el modelo produzca suficientes para dar cuenta de toda la materia oscura del universo. A modo de comparación, la partícula más ligera conocida, la neutrino, pesa menos de 2 electronvoltios, mientras que un protón pesa aproximadamente 940 MeV, según Instituto Nacional de Estándares y Tecnología se abre en una pestaña nueva.

El equipo encontró estos gravitones hipotéticos mientras buscaba evidencia de dimensiones adicionales, que algunos físicos sospechan que existen junto con las tres dimensiones observadas del espacio y la cuarta dimensióntiempo.

¿Podría el universo tener más dimensiones de las que nos damos cuenta? Crédito de la imagen: Getty Images

En la teoría del equipo, cuandogravedad se propaga a través de dimensiones extra, se materializa en nuestro universo como gravitones masivos.

Pero estas partículas interactuarían solo débilmente con la materia ordinaria, y solo a través de la fuerza de la gravedad. Esta descripción es inquietantemente similar a lo que sabemos sobre la materia oscura, que no interactúa con la luz pero tiene una influencia gravitatoria que se siente en todo el universoEsta influencia gravitacional, por ejemplo, es lo que evita que las galaxias se separen.

"La principal ventaja de los gravitones masivos como partículas de materia oscura es que solo interactúan gravitacionalmente, por lo que pueden escapar de los intentos de detectar su presencia", dijo Cacciapaglia.

En contraste, otros candidatos de materia oscura propuestos, como partículas masivas, axiones y neutrinos que interactúan débilmente, también podrían sentirse por sus interacciones muy sutiles con otras fuerzas y campos.

El hecho de que los gravitones masivos apenas interactúen a través de la gravedad con las otras partículas y fuerzas en el universo ofrece otra ventaja.

"Debido a sus interacciones muy débiles, se descomponen tan lentamente que permanecen estables durante la vida del universo", dijo Cacciapaglia, "Por la misma razón, se producen lentamente durante la expansión del universo y se acumulan allí hasta hoy."

En el pasado, los físicos pensaban que los gravitones eran candidatos poco probables a la materia oscura porque los procesos que los crean son extremadamente raros. Como resultado, los gravitones se crearían a velocidades mucho más bajas que otras partículas.

Las primeras estrellas y galaxias se formaron en los primeros cientos de millones de años después del Big Bang, que se muestra aquí en esta ilustración de la evolución del universo.Crédito de la imagen: Harikane et al., NASA, EST y P. Oesch/Yale

Pero el equipo descubrió que en el picosegundo la trillonésima parte de un segundo después del Gran Explosión, se habrían creado más de estos gravitones de lo que sugerían las teorías anteriores. Esta mejora fue suficiente para que los gravitones masivos explicaran completamente la cantidad de materia oscura que detectamos en el universo, encontró el estudio.

"La mejora fue un shock", dijo Cacciapaglia. "Tuvimos que realizar muchas comprobaciones para asegurarnos de que el resultado fuera correcto, ya que da como resultado un cambio de paradigma en la forma en que consideramos a los gravitones masivos como posibles candidatos a materia oscura."

Debido a que los gravitones masivos se forman por debajo de la escala de energía del bosón de Higgs, están libres de incertidumbres relacionadas con escalas de energía más altas, que la física de partículas actual no describe muy bien.

La teoría del equipo conecta la física estudiada en aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones con la física de la gravedad. Esto significa que poderosos aceleradores de partículas como el Future Circular Collider en el CERN, que debería comenzar a operar en 2035, podrían buscar evidencia de estas posibles partículas de materia oscura.

"Probablemente la mejor oportunidad que tenemos es en futuros colisionadores de partículas de alta precisión", dijo Cacciapaglia. "Esto es algo que estamos investigando actualmente".

Publicado originalmente en Rhythm89.

Robert Lea es un periodista científico del Reino Unido que se especializa en ciencia, espacio, física, astronomía, astrofísica, cosmología, mecánica cuántica y tecnología. Los artículos de Rob se han publicado en Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space yZME Science. También escribe sobre comunicación científica para Elsevier y el European Journal of Physics. Rob tiene una licenciatura en física y astronomía de la Universidad Abierta del Reino Unido.