¿Está la materia oscura mayormente hecha de ‘átomos oscuros’?

Physics World / Ciencia Kanija
30/09/09

Los físicos actualmente creen que la mayor parte de la materia oscura del universo está hecha de partículas individuales, y el reto es descubrir qué tipo de partículas son. Una nueva investigación, no obstante, da un vuelco a esta suposición y dice que los datos observacionales y experimentales se explican mejor si la materia oscura existe como un compuesto de partículas – átomos de protones oscuros y electrones oscuros que actúan como el equivalente de materia oscura de la fuerza electromagnética.

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Se piensa que la materia oscura forma más del 80% de la materia del universo. Como sugiere su nombre, la materia oscura no se revela a sí misma emitiendo luz debido a que no interactúa mediante el electromagnetismo. Se deduce su existencia a través de sus efectos gravitatorios sobre la materia normal.

El candidato favorito de los físicos para la materia oscura es una amplia clase de lo que se conoce como partículas masivas de interacción débil, o WIMPs, las cuales interactúan a través de la fuerza nuclear débil. Las WIMPs están en la línea de gran parte de las pruebas observacionales de materia oscura, pero aún quedan dos anomalías. Uno es el hecho de que el modelo WIMP predice que la materia oscura debería acumularse gravitatoriamente a todas las escalas de longitud, desde galaxias a estructuras sub-galácticas mucho menores. No obstante, esto no es lo que se observa – no se ha encontrado por parte de los astrónomos ninguna estructura de materia oscura menor de 400 años luz.

Y entonces llegó DAMA

El otro problema concierne al resultado de experimentos terrestres diseñados para detectar partículas de materia oscura directamente a través de su colisión con núcleos de materia común. Una de tales colaboraciones experimentales, ha generado cierta controversia afirmando que ha recopilado una prueba extremadamente sólida de materia oscura dentro de su detector. Por desgracia, los resultados de DAMA no pueden interpretarse como colisiones de WIMPs sin parecer fuertemente contradictorias con un número de otros experimentos de todo el mundo.

Ahora, David Kaplan y sus colegas de la Universidad Johns Hopkins en los Estados Unidos dicen que estos dos problemas podrían solventarse si la materia oscura no consta de partículas fundamentales individuales sino de compuestos de compuestos de “átomos” más grandes. Estos átomos estarían hechos del equivalente en materia oscura a los protones y electrones unidos por el equivalente a la fuerza electromagnética, y estarían acompañados de una cierta fracción de átomos ionizados – en otras palabras, electrones y protones libres.

Los investigadores señalan que la existencia de estas partículas cargadas habría alterado la evolución de la materia oscura en los inicios del universo. Las WIMPs, sin carga, se habrían desacoplado de la radiación normal menos de un segundo después del Big Bang, mientras que la materia oscura atómica, con su racción ionizada, habría permanecido en equilibrio térmico sin radiación oscura durante aproximadamente los primeros 20 minutos. El universo, por tanto, podría haberse expandido hasta un cierto tamaño antes de que ocurriese el agrupamiento gravitatorio, dictando el tamaño de las menores estructuras de materia oscura que vemos hoy.

Colisiones inelásticas

Para explicar la discrepancia entre DAMA y otros experimentos, Kaplan y sus colegas se basaron en una idea propuesta por Neal Weiner y David Tucker-Smith en 2001. Weiner y Tucker-Smith propusieron que las colisiones detectadas en DAMA eran inelásticas, que algún tipo de energía cinética se perdía debido a que en la colisión, las partículas de materia oscura absorben energía para hacerse ligeramente más masivas, y esas colisiones que rebajan la energía son mucho más probables de ocurrir con el relativamente pesado ioduro de sodio de los detectores de DAMA respecto a, digamos, los detectores de silicio y germanio del CDMS de los Estados Unidos. El grupo de Kaplan, por otra parte, dice que esta pérdida de energía puede explicarse mediante la entrada de átomos de materia oscura saltando a un nivel superior de energía cuando colisionan, más que debido a la creación de nuevas partículas que se postulan específicamente para este proceso.

Los investigadores admiten que hay una “tensión” dentro del modelo debido a que la explicación de la estructura perdida en el universo requiere que se ionice una fracción mayor de átomos oscuros lo que hace que no encaje con los resultados experimentales. Pero comentan que esta diferencia puede resolverse si se suponen distintas formas de halos para la materia oscura ionizada y atómica dentro de las galaxias.

El colega de Kaplan, Christopher Wells, admite que sus propuestas son especulativas pero que tienen el beneficio adicional de llevar a la materia oscura a una línea más cercana a la materia común que nos es familiar. Es más, dicen que los átomos de hidrógeno oscuro podrían unirse para formar moléculas de hidrógeno oscuro podrían unirse para formar moléculas de hidrógeno y que la formación de estas moléculas podrían llevar entonces a la creación de “estrellas oscuras” y otros objetos compactos. Añaden que la interacción de fotones oscuros con los fotones comunes podría llevar a líneas de emisión en los espectros de rayos gamma cósmicos.

¿Sin verdaderos problemas?

Daniel Hooper, astrofísico en el Fermilab en los Estados Unidos, no cree que los problemas que se abordan en el modelo dela materia oscura atómica sean problemas en absoluto – el problema de la formación de estructura está esencialmente resuelto mientras que los resultados de DAMA “no son convincentes”. “Dicho esto”, añade, “esos científicos que creen que estos problemas que necesitan soluciones, la idea de la ‘materia oscura atómica’ presentada qquí parece resolver los problemas con bastante facilidad”.