En la búsqueda de la misteriosa materia oscura, Los físicos han utilizado elaborados cálculos informáticos para llegar a un esquema de las partículas de esta forma desconocida de materia. Para hacer esto, los científicos ampliaron el exitoso modelo estándar de física de partículas que les permitió, entre otras cosas, para predecir la masa de los llamados axiones, candidatos prometedores para la materia oscura. El equipo de investigadores germano-húngaro dirigido por el profesor Zoltán Fodor de la Universidad de Wuppertal, La Universidad Eötvös de Budapest y Forschungszentrum Jülich realizaron sus cálculos en la supercomputadora JUQUEEN (BlueGene / Q) de Jülich y presentan sus resultados en la revista Naturaleza .

"La materia oscura es una forma invisible de materia que hasta ahora solo se ha revelado a través de sus efectos gravitacionales. En qué consiste sigue siendo un completo misterio, "explica el coautor, el Dr. Andreas Ringwald, quien tiene su base en DESY y quien propuso la investigación actual. La evidencia de la existencia de esta forma de materia viene, entre otras cosas, de la observación astrofísica de galaxias, que giran demasiado rápido para mantenerse unidos sólo por la atracción gravitacional de la materia visible. Las mediciones de alta precisión utilizando el satélite europeo "Planck" muestran que casi el 85 por ciento de toda la masa del universo está formada por materia oscura. Todas las estrellas planetas las nebulosas y otros objetos en el espacio que están hechos de materia convencional no representan más del 15 por ciento de la masa del universo.

"El adjetivo 'oscuro' no significa simplemente que no emite luz visible, ", dice Ringwald." Tampoco parece emitir otras longitudes de onda; su interacción con los fotones debe ser muy débil ". Durante décadas, Los físicos han estado buscando partículas de este nuevo tipo de materia. Lo que está claro es que estas partículas deben estar más allá del Modelo Estándar de física de partículas, y si bien ese modelo es extremadamente exitoso, actualmente solo describe el 15 por ciento convencional de toda la materia en el cosmos. De las extensiones teóricamente posibles al Modelo Estándar, los físicos no solo esperan una comprensión más profunda del universo, pero también pistas concretas en qué rango de energía vale la pena buscar candidatos de materia oscura.

La forma desconocida de la materia puede consistir en comparativamente pocas, pero partículas muy pesadas, o de un gran número de ligeros. Las búsquedas directas de candidatos a materia oscura pesada usando grandes detectores en laboratorios subterráneos y la búsqueda indirecta de ellos usando grandes aceleradores de partículas aún continúan. pero hasta ahora no han aparecido partículas de materia oscura. Una serie de consideraciones físicas producen partículas extremadamente ligeras, axiones apodados, candidatos muy prometedores. Usando configuraciones experimentales inteligentes, incluso podría ser posible detectar evidencia directa de ellos. "Sin embargo, para encontrar este tipo de evidencia sería de gran ayuda saber qué tipo de masa estamos buscando, "enfatiza el físico teórico Ringwald." De lo contrario, la búsqueda podría llevar décadas, porque uno tendría que escanear un rango demasiado grande ".

La existencia de axiones se predice mediante una extensión a la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría cuántica que gobierna la interacción fuerte, responsable de la fuerza nuclear. La interacción fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza junto con la gravitación, electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, que es responsable de la radiactividad. "Las consideraciones teóricas indican que existen las llamadas fluctuaciones cuánticas topológicas en la cromodinámica cuántica, que debería resultar en una violación observable de la simetría de inversión del tiempo, "explica Ringwald. Esto significa que ciertos procesos deben diferir dependiendo de si se están ejecutando hacia adelante o hacia atrás. Sin embargo, hasta ahora ningún experimento ha logrado demostrar este efecto.

La extensión a la cromodinámica cuántica (QCD) restaura la invariancia de las inversiones de tiempo, pero al mismo tiempo predice la existencia de una partícula que interactúa muy débilmente, el axion, cuyas propiedades, en particular su masa, dependen de la fuerza de las fluctuaciones cuánticas topológicas. Sin embargo, Se necesitan supercomputadoras modernas como JUQUEEN de Jülich para calcular este último en el rango de temperatura que es relevante para predecir la contribución relativa de los axiones a la materia que compone el universo. "En la parte superior de esta, tuvimos que desarrollar nuevos métodos de análisis para lograr el rango de temperatura requerido, "señala Fodor, quien dirigió la investigación.

Los resultados muestran, entre otras cosas, que si los axiones constituyen la mayor parte de la materia oscura, deben tener una masa de 50 a 1500 microelectronvoltios, expresado en las unidades habituales de la física de partículas, y por lo tanto ser hasta diez mil millones de veces más livianos que los electrones. Esto requeriría que cada centímetro cúbico del universo contenga una media de diez millones de partículas ultraligeras de este tipo. La materia oscura no se distribuye uniformemente en el universo, sin embargo, pero forma grupos y ramas de una red similar a una red. Debido a esto, nuestra región local de la Vía Láctea debería contener alrededor de un billón de axiones por centímetro cúbico.

Gracias a la supercomputadora Jülich, Los cálculos proporcionan ahora a los físicos un rango concreto en el que es probable que su búsqueda de axiones sea más prometedora. "Los resultados que presentamos probablemente conducirán a una carrera para descubrir estas partículas, "dice Fodor. Su descubrimiento no solo resolvería el problema de la materia oscura en el universo, pero al mismo tiempo responda a la pregunta de por qué la interacción fuerte es tan sorprendentemente simétrica con respecto a la inversión del tiempo. Los científicos esperan que en los próximos años sea posible confirmar o descartar experimentalmente la existencia de axiones.

El Instituto de Investigaciones Nucleares de la Academia de Ciencias de Hungría en Debrecen, el Grupo de Investigación Lendület Lattice Gauge Theory en la Universidad de Eötvös, la Universidad de Zaragoza en España, y el Instituto Max Planck de Física de Munich también participaron en la investigación.