Las teorías convencionales de WIMP predicen que las partículas de materia oscura rara vez interactúan entre sí, y solo débilmente con materia normal. Hitoshi Murayama de UC Berkeley y Yonit Hochberg de la Universidad Hebrea predicen que los SIMP de materia oscura, compuesto por un quark y un antiquark, colisionarían e interactuarían fuertemente entre sí, produciendo efectos notables cuando la materia oscura en las galaxias choca. Crédito:gráfico de Kavli IPMU
El intensivo, búsqueda mundial de materia oscura, la masa faltante en el universo, hasta ahora no ha podido encontrar una abundancia de oscuridad, estrellas masivas o montones de nuevas y extrañas partículas que interactúan débilmente, pero un nuevo candidato está ganando adeptos y apoyo de observación poco a poco.
Llamados SIMP, partículas masivas que interactúan fuertemente, fueron propuestos hace tres años por la Universidad de California, El físico teórico de Berkeley Hitoshi Murayama, profesor de física y director del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) en Japón, y el ex postdoctorado de UC Berkeley Yonit Hochberg, ahora en la Universidad Hebrea de Israel.
Murayama dice que las observaciones recientes de un amontonamiento galáctico cercano podrían ser evidencia de la existencia de SIMP, y anticipa que los futuros experimentos de física de partículas descubrirán uno de ellos.
Murayama discutió sus últimas ideas teóricas sobre SIMP y cómo las galaxias en colisión apoyan la teoría en una charla invitada el 4 de diciembre en el 29 ° Simposio de Texas sobre Astrofísica Relativista en Ciudad del Cabo. Sudáfrica.
Los astrónomos han calculado que la materia oscura, mientras es invisible, constituye aproximadamente el 85 por ciento de la masa del universo. La evidencia más sólida de su existencia es el movimiento de las estrellas dentro de las galaxias:sin una gota invisible de materia oscura, las galaxias volarían en pedazos. En algunas galaxias las estrellas visibles son tan raras que la materia oscura constituye el 99,9 por ciento de la masa de la galaxia.
Los teóricos primero pensaron que esta materia invisible era simplemente materia normal demasiado tenue para ver:estrellas fallidas llamadas enanas marrones, estrellas quemadas o agujeros negros. Sin embargo, los llamados objetos halo compactos masivos - MACHOs - eludieron el descubrimiento, ya principios de este año, un estudio de la galaxia de Andrómeda realizado por el Telescopio Subaru básicamente descartó cualquier población significativa de agujeros negros no descubierta. Los investigadores buscaron agujeros negros que quedaron del universo temprano, los llamados agujeros negros primordiales, buscando brillos repentinos que se producen cuando pasan frente a estrellas de fondo y actúan como una lente débil. Encontraron exactamente uno, demasiado pocos para contribuir significativamente a la masa de la galaxia.
La estructura fundamental del SIMP propuesto (partícula masiva que interactúa fuertemente) es similar a la de un pión (izquierda). Los piones se componen de un quark up y un antiquark down, con un gluón (g) que los mantiene unidos. Un SIMP estaría compuesto por un quark y un antiquark unidos por un gluón (G). Crédito:gráfico de Kavli IPMU
"Ese estudio prácticamente eliminó la posibilidad de MACHO; yo diría que prácticamente desapareció, "Dijo Murayama.
A las WIMP, partículas masivas que interactúan débilmente, no les ha ido mejor, a pesar de ser el centro de atención de los investigadores durante varias décadas. Deben ser relativamente grandes, unas 100 veces más pesadas que el protón, e interactúan tan raramente entre sí que se les llama interactuando "débilmente". Se pensaba que interactuaban con mayor frecuencia con la materia normal a través de la gravedad. ayudando a atraer materia normal a grupos que se convierten en galaxias y eventualmente engendran estrellas.
Los SIMP interactúan consigo mismos, pero no otros
SIMP, como WIMP y MACHO, teóricamente se habría producido en grandes cantidades al principio de la historia del universo y desde entonces se habría enfriado hasta la temperatura cósmica media. Pero a diferencia de los WIMP, Se teoriza que los SIMP interactúan fuertemente consigo mismos a través de la gravedad, pero muy débilmente con la materia normal. Una posibilidad propuesta por Murayama es que un SIMP es una nueva combinación de quarks, que son los componentes fundamentales de partículas como el protón y el neutrón, llamados bariones. Mientras que los protones y neutrones se componen de tres quarks, un SIMP sería más parecido a un pión al contener solo dos:un quark y un antiquark.
El SIMP sería más pequeño que un WIMP, con un tamaño o sección transversal como la de un núcleo atómico, lo que implica que hay más de ellos que WIMP. Números más grandes significarían que, a pesar de su débil interacción con la materia normal, principalmente al dispersarse, en lugar de fusionarse o descomponerse en materia normal, todavía dejarían una huella digital en la materia normal, Dijo Murayama.
Él ve una huella digital de este tipo en cuatro galaxias en colisión dentro del cúmulo Abell 3827, dónde, asombrosamente, la materia oscura parece estar a la zaga de la materia visible. Esto podría explicarse, él dijo, por interacciones entre la materia oscura en cada galaxia que ralentiza la fusión de la materia oscura pero no la de la materia normal, básicamente estrellas.
Las teorías convencionales de WIMP predicen una distribución muy puntiaguda, o cúspide, de materia oscura en un área pequeña en el centro de cada galaxia. La teoría SIMP predice una propagación de materia oscura en el centro, que es más típico de las galaxias enanas. Crédito:Gráfico de Kavli IPMU basado en NASA, Imágenes STScI
"Una forma de entender por qué la materia oscura se está quedando atrás de la materia luminosa es que las partículas de materia oscura en realidad tienen un tamaño finito, se esparcen unos contra otros, por eso, cuando quieren moverse hacia el resto del sistema, son rechazados, "Dijo Murayama." Esto explicaría la observación. Ese es el tipo de cosas que predice mi teoría de que la materia oscura es un estado ligado a un nuevo tipo de quarks ".
Los SIMP también superan una falla importante de la teoría WIMP:la capacidad de explicar la distribución de la materia oscura en las galaxias pequeñas.
"Ha habido un enigma de larga data:si miras las galaxias enanas, que son muy pequeñas con bastante pocas estrellas, están realmente dominados por la materia oscura. Y si pasa por simulaciones numéricas de cómo se agrupa la materia oscura, siempre predicen que hay una gran concentración hacia el centro. Una cúspide "Dijo Murayama." Pero las observaciones parecen sugerir que la concentración es más plana:un núcleo en lugar de una cúspide. El problema del núcleo / cúspide se ha considerado uno de los principales problemas con la materia oscura que no interactúa más que por la gravedad. Pero si la materia oscura tiene un tamaño finito, como un SIMP, las partículas pueden hacer 'tintineo' y dispersarse, y eso en realidad aplanaría el perfil de masa hacia el centro. Esa es otra pieza de 'evidencia' para este tipo de idea teórica ".
Búsquedas continuas de WIMP y axiones
Se están planificando experimentos en tierra para buscar SIMP, principalmente en aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN en Ginebra, donde los físicos siempre están buscando partículas desconocidas que se ajusten a nuevas predicciones. Otro experimento en el Colisionador Lineal Internacional planeado en Japón también podría usarse para buscar SIMP.
Mientras Murayama y sus colegas refinan la teoría de los SIMP y buscan formas de encontrarlos, continúa la búsqueda de WIMP. El experimento de materia oscura Large Underground Xenon (LUX) en una mina subterránea en Dakota del Sur ha establecido límites estrictos sobre cómo puede verse un WIMP, y un experimento mejorado llamado LZ ampliará aún más esos límites. Daniel McKinsey, un profesor de física de UC Berkeley, es uno de los co-portavoces de este experimento, trabajando en estrecha colaboración con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, donde Murayama es un científico senior de la facultad.
Esta imagen del telescopio espacial Hubble del cúmulo de galaxias Abell 3827 muestra la colisión en curso de cuatro galaxias brillantes y una débil galaxia central, así como estrellas en primer plano en nuestra galaxia Vía Láctea y galaxias detrás del cúmulo (Arco B e imagen Lenteada A) que están distorsionadas debido a la materia normal y oscura dentro del cúmulo. Los SIMP podrían explicar por qué la materia oscura, invisible pero detectable debido a la lente, va por detrás de la materia normal en la colisión. Crédito:Universidad de California - Berkeley
Los físicos también están buscando otros candidatos a materia oscura que no sean WIMP. Los profesores de UC Berkeley están involucrados en dos experimentos en busca de una partícula hipotética llamada axión, que puede ajustarse a los requisitos de materia oscura. El experimento de precesión de giro del axión cósmico (CASPEr), dirigido por Dmitry Budker, un profesor emérito de física que ahora se encuentra en la Universidad de Mainz en Alemania, y el teórico Surjeet Rajendran, un profesor de física de UC Berkeley, planea buscar perturbaciones en el espín nuclear causadas por un campo de axiones. Karl van Bibber, profesor de ingeniería nuclear, juega un papel clave en el experimento Axion Dark Matter - Alta frecuencia (ADMX-HF), que busca detectar axiones dentro de una cavidad de microondas dentro de un fuerte campo magnético a medida que se convierten en fotones.
"Por supuesto que no debemos dejar de buscar WIMP, "Murayama dijo, "pero los límites experimentales se están poniendo realmente, realmente importante. Una vez que llegue al nivel de medición, donde estaremos en un futuro cercano, incluso los neutrinos terminan siendo el trasfondo del experimento, que es inimaginable ".
Los neutrinos interactúan tan raramente con la materia normal que se estima que 100 billones vuelan a través de nuestros cuerpos cada segundo sin que nos demos cuenta. algo que los hace extremadamente difíciles de detectar.
"El consenso de la comunidad es una especie de no sabemos que tan lejos tenemos que llegar, pero al menos tenemos que llegar a este nivel, ", agregó." Pero debido a que definitivamente no hay signos de que aparezcan WIMP, la gente está empezando a pensar de forma más amplia en estos días. Detengámonos y pensemos en ello de nuevo ".
