13 may. 2014

La búsqueda de la materia oscura podría llevar al colapso del Modelo Estándar

Si bien la energía oscura y la materia oscura parecen constituir más del 95 % del Universo, nadie sabe de qué tipo de entidades cuánticas están compuestas. Sin embargo, los investigadores tienen un potencial candidato a formar parte de la materia oscura, el Dark Photon o también llamado el Bosón U. Este es el resultado de los recientes experimentos HADES, donde los investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y de otros 17 institutos europeos tratan de precisar la naturaleza de la materia oscura. Estos resultados, publicados recientemente en "Physics Letters B", podrían incluso conducir a desafíos del Modelo Estándar de la física de partículas.
La interpretación de las observaciones astrofísicas actuales revelan que supuestamente la materia y energía podrían representar sólo el 5 % del Universo observable, mientras que el 75% estaría formado por energía oscura y el 20% restante por materia oscura. 


Muchos intentos se han hecho para explicar la naturaleza de la materia oscura. Los investigadores creen que la materia oscura está compuesta por partículas desconocidas hasta ahora que no encajan en el modelo estándar de la física de partículas. El Modelo Estándar es una teoría que agrupa las partículas fundamentales tales como los quarks (y sus hadrones que conforman, por ejemplo, los bariones) y los leptones (electrones, muones, tauones neutrinos asociados) mientras interactúan a través del intercambio de cuantos portadores de fuerzas. Estas otras entidades cuánticas, denominadas bosones (por ejemplo, los fotones o los piones), completarían la fauna de partículas (léase entidades cuánticas) elementales y compuestas.
Algunas de estas entidades cuánticas adquieren su masa por la interacción con el bosón de Higgs. Si bien se encontraron evidencias que indicarían la reciente detección del bosón de Higgs desde el CERN, aún no se ha confirmado pero se supone que el Modelo Estándar se ha completado (complementándolo con algunos parches como por ejemplo las masas de los neutrinos), y nada más parecería necesario para comprender la riqueza de los fenómenos atómicos, sub-nucleares y la física de partículas. Sin embargo, la materia oscura no parece explicarse por alguno de los componentes del Modelo Estándar. Este asunto ha iniciado esfuerzos en todo el mundo para buscar candidatos a materia oscura.

Más allá del Modelo Estándar

Buscar una aguja en un pajar, como dice el dicho, parecería ser más simple que encontrar a las entidades responsables de ser materia oscura. La aguja, por supuesto, sería la materia oscura, el objeto desconocido (en realidad el dicho no se ajusta demasiado bien como analogía, pues la materia oscura no está perdida, nunca se encontró. Pero el artículo original cuya fuente figura en el pie de éste lo decía, y me pareció que sacar esa analogía hacía perder parte importante del original por una nimiedad). Y su posible localización sería muy variada, por ejemplo, en los halos galácticos. Aunque no sería sólo el único sitio de interés para su búsqueda. Para especificar el objetivo de búsqueda, se pueden prever diversos candidatos posibles, tales como ciertas partículas hipotéticas que estarían más allá del Modelo Estándar. Estas partículas excederían los límites de este modelo y cumplen con los requisitos que las califican como constituyentes de la materia oscura.
La energía oscura, por otra parte, impulsa la expansión acelerada observada actualmente del universo. Energía Oscura se distribuye homogéneamente y se puede atribuir a una constante cosmológica o energía del vacío. En casos extremos podría provocar, en el futuro, una expansión tan repentina que todo en el universo se rompería (momento conocido como Big Rip). Los conocimientos acerca de la materia oscura están llenos de baches, pero se sabe que ella es necesaria para explicar la distribución de la materia ordinaria observada, y su evolución en el Universo. Esta evolución se evidencia a partir de las jerarquías de las estructuras, partiendo desde los súper cúmulos y los cúmulos de galaxias, las galaxias, las estrellas, los planetas y los objetos menores tales como asteroides, etc.
Entre las listas de candidatos a formar parte de la materia oscura hay una partícula hipotética, a menudo apodado bosón U o fotón oscuro. Estos apodos se refieren a la construcción de la teoría subyacente: estas partículas únicas o unitarias serían, en cierto sentido, similares a los fotones (es decir, a los bosones), pero en otro aspecto se diferenciarían mucho. Por ejemplo, se le atribuiría a estos cuantos de fotones oscuros una masa. Por lo cual interactuarían muy débilmente con la materia normal. Supuestamente los fotones oscuros podrían decaer en pares electrón-positrón, siempre y cuando sean virtualmente adecuados. Mediante la combinación de la cadena de hipótesis se llega a un escenario posible donde un fotón virtual "ordinario" se convierte en un fotón oscuro que decae después en un par electrón-positrón.

Aguja y pajar

Si un fotón oscuro o bosón U posee las propiedades mencionadas anteriormente (entre ellas que posea masa), entonces quedaría especificada la "aguja". Una señal a buscar sería la aparición de una resonancia en la masa/energía del electrón-positrón que fuera invariante (en la física de partículas, una resonancia es la aparición de una partícula intermedia entre dos eventos, con ciertas características, que se desintegra en el tiempo típico de la interacción (por ejemplo el bosón vertorial masivo W- en la desintegración del neutrón)). El "pajar" no se especifica demasiado, pero buscando en los lugares mencionados, tales como los halos galácticos, se esperaría encontrar espectros de masa invariante en las distribuciones electrón-positrón. Aunque un requisito previo es una comprensión de la forma general de estas distribuciones.
Hasta ahora la búsqueda de una señal de este tipo a partir de un bosón U como candidato a materia oscura ha quedado desierto. Junto con muchas otras búsquedas de los otros candidatos a la materia oscura, la situación se vuelve más y más complicada. La cosmología a este nivel de precisión requiere la existencia de la materia oscura. Sin embargo, los diversos experimentos no han encontrado ningún indicio positivo. Los resultados negativos por parte del HADES en referencia al bosón U y otros experimentos hacen que sea necesaria la búsqueda de una nueva física más allá del Modelo Estándar. Por ejemplo, los experimentos de alta precisión sobre el momento magnético del muón aportan nueva controversia dado que discrepan con las predicciones propuestas por el Modelo Estándar. 
Esta mencionada discrepancia se resolvería supuestamente a partir del descubrimiento del fotón oscuro. Pero los resultados negativos en su búsqueda parecen excluir dicha opción. De manera que el Modelo Estándar ha entrado en épocas de tensión. Parecería ser necesario un nuevo modelo o la extensión del mismo a nivel cosmológico. Las pequeñas desviaciones en el modelo pueden magnificarse con instrumentos más sensibles, como por ejemplo la detección de discrepancias en el momento magnético del muón y otras observables. De manera que todavía estamos muy lejos del final de la física teórica y más aún de la práctica. Las fronteras de la física siempre se alejan y se presenta un panorama muy fascinante con alto potencial de descubrimiento.

Pf. Mariano Miguel Lanzi
Fuentes:

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