Los físicos que intentan comprender la estructura fundamental de la naturaleza se basan en marcos teóricos consistentes que pueden explicar lo que vemos y, al mismo tiempo, hacer predicciones que podamos probar. En la escala más pequeña de partículas elementales, el modelo estándar de física de partículas proporciona la base de nuestra comprensión.

En la escala del cosmos gran parte de nuestro conocimiento se basa en un "modelo estándar de cosmología". Informado por la teoría de la relatividad general de Einstein, postula que la mayor parte de la masa y la energía en el universo está formada por misteriosos, sustancias invisibles conocidas como materia oscura (que constituyen el 80% de la materia del universo) y energía oscura.

Durante las ultimas décadas, este modelo ha tenido un éxito notable en la explicación de una amplia gama de observaciones de nuestro universo. Sin embargo, todavía no sabemos qué constituye la materia oscura; solo sabemos que existe debido a la atracción gravitacional que ejerce sobre los cúmulos de galaxias y otras estructuras. Se han propuesto varias partículas como candidatas, pero no podemos decir con certeza cuál o varias partículas componen la materia oscura.

Ahora, nuestro nuevo estudio, que insinúa que es probable que las partículas extremadamente ligeras llamadas neutrinos constituyan parte de la materia oscura, desafía nuestra comprensión actual de su composición.

Caliente versus frío

El modelo estándar sostiene que la materia oscura es "fría". Eso significa que consiste en partículas relativamente pesadas que inicialmente tenían movimientos lentos. Como consecuencia, Es muy fácil que las partículas vecinas se junten para formar objetos ligados por la gravedad. Por lo tanto, el modelo predice que el universo debería estar lleno de pequeños "halos" de materia oscura, algunos de los cuales se fusionarán y formarán progresivamente sistemas más masivos, lo que hará que el cosmos sea "abultado".

Sin embargo, no es imposible que al menos alguna materia oscura esté "caliente". Esto comprendería partículas relativamente ligeras que tienen velocidades bastante altas, lo que significa que las partículas podrían escapar fácilmente de regiones densas como las galaxias. Esto ralentizaría la acumulación de materia nueva y conduciría a un universo donde se suprime la formación de estructura (menos grumosa).

Neutrinos que zumban a velocidades extremadamente altas, son un buen candidato para la materia oscura caliente. En particular, no emiten ni absorben luz, lo que los hace parecer "oscuros". Durante mucho tiempo se asumió que los neutrinos, que vienen en tres especies diferentes, no tengo misa. Pero los experimentos han demostrado que pueden cambiar (oscilar) de una especie a otra. En tono rimbombante, Los científicos han demostrado que este cambio requiere que tengan masa, lo que los convierte en candidatos legítimos para la materia oscura caliente.

Durante las ultimas décadas, sin embargo, tanto los experimentos de física de partículas como varias líneas de argumentación astrofísicas han descartado que los neutrinos constituyan la mayor parte de la materia oscura del universo. Y lo que es más, el modelo estándar supone que los neutrinos (y la materia oscura caliente en general) tienen tan poca masa que su contribución a la materia oscura puede ignorarse por completo (en la mayoría de los casos se supone que es del 0%). Y, hasta hace muy poco, este modelo ha reproducido bastante bien una amplia variedad de observaciones cosmológicas.

Cambio de imagen

En los años pasados, la cantidad y calidad de las observaciones cosmológicas se ha disparado enormemente. Uno de los ejemplos más destacados de esto ha sido la aparición de "observaciones de lentes gravitacionales". La relatividad general nos dice que la materia curva el espacio-tiempo para que la luz de galaxias distantes pueda ser desviada por objetos masivos que se encuentran entre nosotros y las galaxias. Los astrónomos pueden medir dicha desviación para estimar el crecimiento de la estructura (el "abultamiento") en el universo durante el tiempo cósmico.

Estos nuevos conjuntos de datos han presentado a los cosmólogos una serie de formas de probar en detalle las predicciones del modelo estándar. Una imagen que está comenzando a surgir de estas comparaciones es que la distribución de masa en el universo parece ser menos irregular de lo que debería ser si la materia oscura está completamente fría.

Sin embargo, hacer comparaciones entre el modelo estándar y los nuevos conjuntos de datos puede no ser tan sencillo como se pensaba. En particular, Los investigadores han demostrado que la aparente irregularidad del universo no solo se ve afectada por la materia oscura, pero también por procesos complejos que afectan la materia normal (protones y neutrones). Las comparaciones anteriores suponían que la materia normal, que "siente" tanto la fuerza de gravedad como la de presión, se distribuye como materia oscura, que solo siente la gravedad.

Ahora, nuestro nuevo estudio ha producido el mayor conjunto de simulaciones cosmológicas por computadora de materia normal y oscura hasta la fecha (llamado BAHAMAS). También hemos realizado comparaciones cuidadosas con una amplia gama de observaciones recientes. Concluimos que la discrepancia entre los nuevos conjuntos de datos de observación y el modelo estándar de materia oscura fría es incluso mayor de lo que se afirmó anteriormente.

Observamos los efectos de los neutrinos y sus movimientos con gran detalle. Como se esperaba, cuando se incluyeron neutrinos en el modelo, la formación de la estructura en el cosmos se eliminó, haciendo que el universo sea menos abultado. Nuestros resultados sugieren que los neutrinos constituyen entre el 3% y el 5% de la masa total de materia oscura. Esto es suficiente para reproducir de manera consistente una amplia variedad de observaciones, incluidas las nuevas mediciones de lentes gravitacionales. Si una fracción mayor de la materia oscura está "caliente", el crecimiento de la estructura en el universo se suprime demasiado.

La investigación también puede ayudarnos a resolver el misterio de cuál es la masa de un neutrino individual. De varios experimentos, Los físicos de partículas han calculado que la suma de las tres especies de neutrinos debe ser de al menos 0,06 electronvoltios (una unidad de energía, similar a julios). Puede convertir esto en una estimación de la contribución total de neutrinos a la materia oscura, y resulta ser 0,5%. Dado que hemos descubierto que en realidad es de seis a diez veces más grande que esto, podemos deducir que la masa del neutrino debería ser de aproximadamente 0,3-0,5 eV en su lugar.

Esto está tentadoramente cerca de los valores que realmente se pueden medir mediante los próximos experimentos de física de partículas. Si estas medidas corroboran las masas que encontramos en nuestras simulaciones, esto sería muy tranquilizador, dándonos una imagen coherente del papel de los neutrinos como materia oscura desde las escalas cosmológicas más grandes hasta el reino de la física de partículas más diminuta.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.