Investigadores de Rusia, Finlandia, y los Estados Unidos han impuesto una restricción al modelo teórico de partículas de materia oscura al analizar datos de observaciones astronómicas de núcleos galácticos activos. Los nuevos hallazgos proporcionan un incentivo adicional para los grupos de investigación de todo el mundo que intentan descifrar el misterio de la materia oscura:nadie está muy seguro de qué está hecho. El artículo fue publicado en Revista de cosmología y física de astropartículas .

La cuestión de qué partículas componen la materia oscura es crucial para la física de partículas moderna. A pesar de las expectativas de que se descubrieran partículas de materia oscura en el Gran Colisionador de Hadrones, esto no sucedió. Hubo que rechazar una serie de hipótesis predominantes sobre la naturaleza de la materia oscura. Diversas observaciones indican que existe materia oscura, pero aparentemente algo distinto a las partículas del Modelo Estándar lo constituye. Por tanto, los físicos deben considerar otras opciones más complejas. Es necesario ampliar el modelo estándar. Entre los candidatos para la inclusión se encuentran partículas hipotéticas que pueden tener masas en el rango de 10? ²? a 10? ¹? veces la masa del electrón. Es decir, la partícula especulada más pesada tiene una masa 40 órdenes de magnitud mayor que la de la más ligera.

Un modelo teórico trata la materia oscura como si estuviera compuesta de partículas ultraligeras. Esto ofrece una explicación para numerosas observaciones astronómicas. Sin embargo, tales partículas serían tan ligeras que interactuarían muy débilmente con otra materia y luz, haciéndolos extremadamente difíciles de estudiar. Es casi imposible detectar una partícula de este tipo en un laboratorio, por lo que los investigadores recurren a las observaciones astronómicas.

"Estamos hablando de partículas de materia oscura que son 28 órdenes de magnitud más ligeras que el electrón. Esta noción es de vital importancia para el modelo que decidimos probar. La interacción gravitacional es lo que delata la presencia de materia oscura. Si explicamos todo el masa de materia oscura observada en términos de partículas ultraligeras, eso significaría que hay una gran cantidad de ellos. Pero con partículas tan ligeras como estas, surge la pregunta:¿Cómo los protegemos para que no adquieran masa efectiva debido a las correcciones cuánticas? Los cálculos muestran que una posible respuesta sería que estas partículas interactúan débilmente con los fotones, es decir, con radiación electromagnética. Esto ofrece una forma mucho más fácil de estudiarlos:observando la radiación electromagnética en el espacio, "dijo Sergey Troitsky, coautor del artículo e investigador principal del Instituto de Investigaciones Nucleares de la Academia de Ciencias de Rusia.

Cuando el número de partículas es muy alto, en lugar de partículas individuales, puede tratarlos como un campo de cierta densidad que impregna el universo. Este campo oscila coherentemente sobre dominios que tienen un tamaño del orden de 100 parsecs, o unos 325 años luz. Lo que determina el período de oscilación es la masa de las partículas. Si el modelo considerado por los autores es correcto, este período debe ser de aproximadamente un año. Cuando la radiación polarizada atraviesa un campo de este tipo, el plano de polarización de la radiación oscila con el mismo período. Si se producen cambios periódicos como este, las observaciones astronómicas pueden revelarlos. Y la duración del período, un año terrestre, es muy conveniente, porque muchos objetos astronómicos se observan durante varios años, lo cual es suficiente para que los cambios de polarización se manifiesten.

Los autores del artículo decidieron utilizar los datos de radiotelescopios terrestres, porque regresan a los mismos objetos astronómicos muchas veces durante un ciclo de observaciones. Estos telescopios pueden observar núcleos galácticos activos remotos:regiones de plasma sobrecalentado cercanas a los centros de las galaxias. Estas regiones emiten radiación altamente polarizada. Al observarlos, se puede seguir el cambio en el ángulo de polarización durante varios años.

"Al principio parecía que las señales de los objetos astronómicos individuales exhibían oscilaciones sinusoidales. Pero el problema era que el período sinusoidal tenía que ser determinado por la masa de partículas de materia oscura, lo que significa que debe ser el mismo para todos los objetos. Había 30 objetos en nuestra muestra. Y puede ser que algunos de ellos oscilaran debido a su propia física interna, pero de todos modos, los periodos nunca fueron los mismos, "Troitsky prosigue." Esto significa que la interacción de nuestras partículas ultraligeras con la radiación puede verse limitada. No estamos diciendo que tales partículas no existan, pero hemos demostrado que no interactúan con los fotones, poniendo una restricción a los modelos disponibles que describen la composición de la materia oscura ".

"¡Imagínense lo emocionante que fue! Pasan años estudiando quásares, cuando un día aparecen físicos teóricos, y los resultados de nuestras mediciones de polarización de alta precisión y alta resolución angular son repentinamente útiles para comprender la naturaleza de la materia oscura, "agrega con entusiasmo Yuri Kovalev, coautor del estudio y director de laboratorio del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y del Instituto de Física Lebedev de la Academia de Ciencias de Rusia.

En el futuro, el equipo planea buscar manifestaciones de partículas de materia oscura más pesadas propuestas por otros modelos teóricos. Esto requerirá trabajar en diferentes rangos espectrales y usar otras técnicas de observación. Según Troitsky, las limitaciones de los modelos alternativos son más estrictas.

"Ahora, el mundo entero está comprometido en la búsqueda de partículas de materia oscura. Este es uno de los grandes misterios de la física de partículas. A partir de hoy, ningún modelo se acepta como favorito, mejor desarrollado, o más plausible con respecto a los datos experimentales disponibles. Tenemos que probarlos todos. Inconvenientemente La materia oscura es "oscura" en el sentido de que apenas interactúa con nada, particularmente con luz. Aparentemente, en algunos escenarios, podría tener un ligero efecto en el paso de las ondas de luz. Pero otros escenarios no predicen interacciones en absoluto entre nuestro mundo y la materia oscura, distintos de los mediados por la gravedad. Esto haría que sus partículas fueran muy difíciles de encontrar, "concluye Troitsky.