Figura que describe el mecanismo propuesto por los investigadores. Crédito:Kim y Kuflik.
Los astrofísicos han estado buscando materia oscura durante varias décadas, pero estas búsquedas hasta ahora han arrojado resultados decepcionantes. En un estudio reciente, dos investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann y la Universidad Hebrea de Jerusalén en Israel han introducido un nuevo marco teórico que describe un mecanismo de materia oscura térmica elemental con una masa de hasta 10 14 GeV.
La materia oscura considerada en su trabajo consiste en varias partículas casi degeneradas que se dispersan en la cadena del vecino más cercano de una manera alineada con el modelo estándar utilizado en los estudios de materia oscura. El nuevo marco presentado por estos investigadores, esbozado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , En última instancia, podría informar búsquedas futuras de materia oscura pesada.
"La naturaleza de la materia oscura es un problema de larga data en la física moderna, "Hyungjin Kim, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Una partícula tan pesada como el bosón de Higgs, y está involucrado en interacciones cuya fuerza es la interacción electrodébil, se cree que es un candidato de materia oscura particularmente bien motivado, ya que a menudo surge naturalmente cuando se aborda otro problema clave:la jerarquía entre la escala electrodébil y la escala de Planck ".
La partícula que se cree que es un buen candidato a materia oscura, conocida como partícula masiva de interacción débil (WIMP), podría producirse naturalmente a partir de interacciones entre partículas de modelo estándar en el universo temprano mientras están en equilibrio térmico. Este proceso en particular se conoce con el nombre de "mecanismo de congelación térmica".
Basado en la teoría astrofísica actual, la abundancia final de WIMP en nuestro universo hoy sería insensible a los detalles de las condiciones iniciales o los parámetros del modelo. Sin embargo, una tradición común que se originó en un artículo de 1990 de Kim Griest y Marc Kamionkowski sugiere que este mecanismo de congelación térmica no funciona cuando la materia oscura pesa más de 100 TeV (es decir, mil veces más pesado que el bosón de Higgs).
"En nuestro artículo reciente, demostramos que esta tradición común es incorrecta y mostramos que la congelación térmica es posible incluso cuando la materia oscura es varios órdenes de magnitud más pesada que la masa de Higgs, si hay un conjunto de partículas oscuras que se dispersan fuera de las partículas del modelo estándar con interacciones vecinas más cercanas, "Eric Kuflik, el otro investigador detrás del estudio, dijo. "La abundancia reliquia de la materia oscura se determina mediante interacciones estocásticas entre las partículas oscuras y las partículas del Modelo Estándar".
El mecanismo propuesto por Kim y Kuflik describe un conjunto de partículas de materia oscura que se dispersan con la materia ordinaria a través de interacciones con el vecino más cercano, que cambian entre especies. En otras palabras, sugiere que la materia oscura da un 'paseo aleatorio' entre las especies de materia oscura, cambiando continuamente su identidad. Basado en el marco introducido por los investigadores, por lo tanto, la abundancia de materia oscura está determinada térmicamente en el universo temprano, permitiendo masas de materia oscura extremadamente pesadas.
"Hemos demostrado que la materia oscura se puede producir a partir del baño termal del universo temprano mientras se encuentra en equilibrio térmico, incluso para masas de materia oscura sustancialmente más pesadas de lo que permitiría la sabiduría convencional, "Kim explicó." Curiosamente, la abundancia de partículas de materia oscura en nuestro escenario depende únicamente de la fuerza de interacción de las partículas oscuras con las partículas del modelo estándar ".
El nuevo marco desarrollado por Kim y Kuflik podría tener importantes implicaciones para los estudios que investigan el fondo cósmico de microondas, formación de estructuras y rayos cósmicos. Además, podría servir como punto de referencia para búsquedas experimentales pesadas de materia oscura, ya que sugiere que las desintegraciones a partículas de materia ordinaria en el universo tardío podrían dejar interesantes firmas astrofísicas y cosmológicas, que los investigadores podrían buscar al buscar materia oscura.
"Hay dos direcciones prometedoras que esperamos seguir en nuestro trabajo futuro, "Dijo Kim." Primero, nuestro mecanismo predice inevitablemente la descomposición de partículas de materia oscura en partículas del Modelo Estándar a lo largo de la historia del universo. Esto podría dejar interesantes firmas astrofísicas, como los rayos cósmicos de energía ultra alta, etc. Las implicaciones para la cosmología también son interesantes ".
Hasta aquí, Kim y Kuflik han descrito la idea básica de materia oscura superpesada y han proporcionado un "modelo de juguete simple" al parametrizar la fuerza de interacción entre las partículas oscuras y las partículas del modelo estándar. En sus próximos estudios, sin embargo, Kim y Kuflik planean realizar un estudio detallado de las teorías de la física de partículas que podrían realizar su mecanismo de materia oscura térmica superpesada.
"Las realizaciones explícitas en física de partículas ayudarán a identificar el conjunto completo de señales experimentales predichas por el mecanismo, que nos enseñará los mejores medios para excluir o detectar tal materia oscura, "Agregó Kuflik.
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