Casi una cuarta parte del universo se encuentra literalmente en las sombras. Según las teorías de los cosmólogos, El 25,8% está compuesto por materia oscura, cuya presencia es señalada esencialmente sólo por su atracción gravitacional. En qué consiste esta sustancia sigue siendo un misterio. Hermann Nicolai, Director del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Potsdam, y su colega Krzysztof Meissner de la Universidad de Varsovia ahora han propuesto un nuevo candidato:un gravitino superpesado. La existencia de esta partícula aún hipotética se deriva de una hipótesis que busca explicar cómo el espectro observado de quarks y leptones en el modelo estándar de física de partículas podría surgir de una teoría fundamental. Además, los investigadores describen un posible método para rastrear realmente esta partícula.

El modelo estándar de física de partículas abarca los componentes básicos de la materia y las fuerzas que los mantienen unidos. Afirma que hay seis quarks diferentes y seis leptones que se agrupan en tres "familias". Sin embargo, la materia que nos rodea y nosotros mismos estamos compuestos en última instancia por solo tres partículas de la primera familia:los quarks up y down y el electrón, que es un miembro de la familia de los leptones.

Hasta ahora, este modelo estándar de larga data no ha cambiado. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Ginebra se puso en servicio hace unos diez años con el objetivo principal de explorar lo que podría haber más allá. Sin embargo, después de diez años de tomar datos, los científicos no han podido detectar ninguna nueva partícula elemental, aparte del bosón de Higgs, a pesar de las expectativas generalizadas de lo contrario. En otras palabras, hasta ahora, las mediciones con el LHC no han proporcionado ningún indicio de "nueva física" más allá del modelo estándar. Estos hallazgos contrastan con las numerosas extensiones propuestas de este modelo que sugieren una gran cantidad de nuevas partículas.

En un artículo anterior publicado en Cartas de revisión física , Hermann Nicolai y Krzysztof Meissner han presentado una nueva hipótesis que busca explicar por qué solo las partículas elementales ya conocidas ocurren como bloques de construcción básicos de la materia en la naturaleza, y por qué, contrariamente a lo que se pensaba anteriormente, no se esperan nuevas partículas en el rango de energía accesible para los experimentos actuales o concebibles para el futuro.

Además, los dos investigadores postulan la existencia de gravitinos supermasivos, que podrían ser candidatos muy inusuales para la materia oscura. En una segunda publicación, que apareció recientemente en la revista Revisión física D , también presentaron una propuesta sobre cómo rastrear estos gravitinos.

En su trabajo, Nicolai y Meissner retoman una vieja idea del ganador del Premio Nobel Murray Gell-Mann que se basa en la teoría de la "supergravedad N =8". Un elemento clave de su propuesta es un nuevo tipo de simetría de dimensión infinita que pretende explicar el espectro observado de los quarks y leptones conocidos en tres familias. "Nuestra hipótesis en realidad no produce partículas adicionales para la materia ordinaria que luego tendrían que ser discutidas porque no aparecen en los experimentos con aceleradores". "dice Hermann Nicolai." Por el contrario, nuestra hipótesis puede, en principio, explicar con precisión lo que vemos, en particular, la replicación de quarks y leptones en tres familias ".

Sin embargo, Los procesos en el cosmos no pueden explicarse enteramente por la materia ordinaria de la que ya somos conscientes. Una señal de esto son las galaxias:giran a alta velocidad, y la materia visible en el universo, que solo representa alrededor del 5% de la materia en el universo, no sería suficiente para mantenerlos unidos. Hasta aquí, sin embargo, nadie sabe de qué está hecho el resto, a pesar de las numerosas sugerencias. La naturaleza de la materia oscura es, por tanto, una de las preguntas sin respuesta más importantes de la cosmología.

"La expectativa común es que la materia oscura esté formada por una partícula elemental, y que aún no ha sido posible detectar esta partícula porque interactúa con la materia ordinaria casi exclusivamente por la fuerza gravitacional, "dice Hermann Nicolai. El modelo desarrollado en colaboración con Krzysztof Meissner ofrece un nuevo candidato para una partícula de materia oscura de este tipo, aunque uno con propiedades completamente diferentes de todos los candidatos discutidos hasta ahora, como axiones o WIMP. Estos últimos interactúan solo muy débilmente con la materia conocida. Lo mismo es cierto para los gravitinos muy ligeros que se han propuesto repetidamente como candidatos a materia oscura en relación con la supersimetría de baja energía. Sin embargo, la presente propuesta va en una dirección completamente diferente, en que ya no asigna un papel principal a la supersimetría, aunque el esquema desciende de la máxima supergravedad N =8. "En particular, nuestro esquema predice la existencia de gravitinos superpesados, que, a diferencia de los candidatos habituales y a diferencia de los gravitinos ligeros previamente considerados, también interactuaría fuerte y electromagnéticamente con la materia ordinaria, "dice Hermann Nicolai.

Su gran masa significa que estas partículas solo podrían ocurrir en forma muy diluida en el universo; de lo contrario, "sobrecerrarían" el universo y conducirían así a su colapso temprano. Según el investigador de Max Planck, uno en realidad no necesitaría muchos de ellos para explicar el contenido de materia oscura en el universo y en nuestra galaxia:una partícula por 10, 000 kilómetros cúbicos serían suficientes. La masa de la partícula postulada por Nicolai y Meissner se encuentra en la región de la masa de Planck, es decir, alrededor de una cien millonésima parte de un kilogramo. En comparación, los protones y neutrones, los componentes básicos del núcleo atómico, son alrededor de diez quintillones (diez millones de billones) de veces más ligeros. En el espacio intergaláctico, la densidad sería incluso mucho menor.

"La estabilidad de estos gravitinos pesados ​​depende de sus inusuales números cuánticos (cargas), "dice Nicolai". Específicamente, simplemente no hay estados finales con las cargas correspondientes en el modelo estándar en el que estos gravitinos podrían decaer; de lo contrario, habrían desaparecido poco después del Big Bang ".

Sus interacciones fuertes y electromagnéticas con la materia conocida pueden hacer que estas partículas de materia oscura sean más fáciles de rastrear a pesar de su extrema rareza. Una posibilidad es buscarlos con mediciones de tiempo de vuelo dedicadas a gran profundidad, como estas partículas se mueven mucho más lento que la velocidad de la luz, a diferencia de las partículas elementales ordinarias que se originan a partir de la radiación cósmica. Sin embargo, penetrarían la Tierra sin esfuerzo debido a su gran masa, como una bala de cañón que no puede ser detenida por un enjambre de mosquitos.

Este hecho da a los investigadores la idea de utilizar nuestro planeta como un "paleodetector":la Tierra ha estado orbitando a través del espacio interplanetario durante unos 4.500 millones de años. durante ese tiempo debió haber sido penetrado por muchos de estos gravitinos masivos. En el proceso, las partículas deberían haber dejado mucho tiempo, pistas de ionización rectas en la roca, pero puede que no sea fácil distinguirlos de las huellas causadas por partículas conocidas. "Se sabe que la radiación ionizante causa defectos de celosía en las estructuras cristalinas. Es posible que se detecten reliquias de tales pistas de ionización en cristales que permanecen estables durante millones de años, ", dice Hermann Nicolai. Debido a su largo" tiempo de exposición ", esta estrategia de búsqueda también podría tener éxito en caso de que la materia oscura no se distribuya de manera homogénea dentro de las galaxias, sino que esté sujeta a fluctuaciones de densidad local, lo que también podría explicar el fracaso de las búsquedas de oscuridad más convencional. importan los candidatos hasta ahora.