El futuro de la búsqueda de la materia oscura

Dibujo20180101 astrophysical particles in dark matter models arxiv 1712 06615

Todas las evidencias de la existencia de la materia oscura son gravitacionales. El Modelo Estándar describe tres interacciones entre tres familias de partículas. Todas las búsquedas actuales de partículas de materia oscura han fracasado. La materia oscura podría ser el resultado de nuevas interacciones entre nuevas familias de partículas. Así podría haber eludido las búsquedas actuales hasta ahora. Quizás el futuro pasa por un conocimiento astrofísico más detallado de la materia oscura. ¿Qué señales gravitacionales podría ofrecer un Modelo Oscuro tan complicado como el Modelo Estándar? Un primer paso hacia la respuesta a esta compleja cuestión es el nuevo artículo de revisión de Matthew R. Buckley (Univ. Rutgers) y Annika H. G. Peter (Univ. Estatal de Ohio). La incertidumbre es enorme y las posibilidades casi infinitas, pero me parece relevante que alguien se plantee esta cuestión.

El Modelo Oscuro podría tener un análogo al fotón, un fotón oscuro, partículas confinadas análogas a los quarks, que formaran hadrones oscuros, y análogas a los leptones, que formaran átomos oscuros junto a los bariones oscuros. Quizás haya un análogo oscuro al fondo cósmico de microondas, o incluso MACHOs oscuros que formen galaxias oscuras y cúmulos galácticos oscuros. ¿Cómo cambiaría este complejo universo de materia oscura nuestras observaciones gravitacionales en el universo visible de materia bariónica? Lo cierto es que aún no lo sabemos, pero se trata de una cuestión complicada hay que plantearse muy en serio. Quizás estamos dando palos de ciego buscando bajo la farola de la simplicidad cuando en realidad la materia oscura se oculta en la confusión de la complejidad.

La ciencia se construye a base de buenas preguntas, por ello ha gustado que alguien se plantee de forma seria una cuestión que estamos aún muy lejos de poder contestar. Si te interesa el tema te recomiendo el artículo de Matthew R. Buckley, Annika H.G. Peter, “Gravitational probes of dark matter physics,” arXiv:1712.06615 [astro-ph.CO]; además, el primer autor tiene un blog, donde podrás disfrutar de una versión divulgativa de sus aportes: Matthew Buckley, “A dark matter thought experiment,” PhysicsMatt’s Blog, 19 Dec 2017; “Paper Explainer: Gravitational probes of dark matter physics,” PhysicsMatt’s Blog, 19 Dec 2017.

Dibujo20180101 Dark matter halo scales relative to galaxy scales arxiv 1712 06615

En los cúmulos galácticos con un masa oscura entre cien y mil billones de masas solares (1014−15 M) se observan galaxias como la Vía Láctea con un billón de masas solares (1012 M). Estas galaxias tienen galaxias satélite o enanas con masas superiores a cien millones de masas solares (108 M). Según las simulaciones de la formación de galaxias y grandes estructuras galácticas basados en la materia oscura fría, esta jerarquía de masas debe continuar hasta escalas mucho más pequeñas; estos modelos predicen halos de materia oscura con masas tan bajas como 100 M⊙ y, en teoría, si los modelos fueran suficientemente precisos, hasta de una masa solar, ~ 1 M⊙, o incluso de solo una masa terrestre, ~ 10−6 M⊙. Estos objetos oscuros tan pequeños no han sido observados.

La escala mínima para la masa de los halos oscuros, sea Mhalo, a la que se detiene su jerarquía de masas depende de la masa de la partícula de materia oscura y de su interacción con la materia bariónica (la constante de acoplamiento de su interacción con un nucleón). En física de partículas se caracteriza esta interacción mediante una escala de energía Λ = M/g², donde M es la masa de la partícula de materia oscura y g es la constante adimensional de acoplamiento. La figura que abre esta entrada muestra la relación entre ambos parámetros (los logarítmos de Λ−1 y Mhalo) para diferentes partículas candidatas a materia oscura. Como puedes observar hay muchas posibilidades.

Dibujo20180101 Dark matter candidates in astronomically relevant parameter space arxiv 1712 06615

Por supuesto, también influye la autointeracción (self-interaction) de las partículas de materia oscura entre sí. En los modelos de simulación galáctica se suele despreciar este efecto, asumiendo que la materia oscura tiene una temperatura constante. En los modelos SIDM (Self-Interacting Dark Matter) la materia oscura tiene una temperatura que cambia de un lugar a otro. Medidas de alta precisión de los efectos gravitacionales de la materia oscura sobre la materia bariónica deberían desvelar cómo autointeracciona la materia oscura y si hay una sola partícula o bien nos encontramos ante todo un Modelo Oscuro.

Dibujo20180319 future probes dark matter astrohpysics physicsmatt com

Matthew R. Buckley y Annika H. G. Peter nos presentan un muestrario de las posibles observaciones astrofísicas y cosmológicas que pueden ayudar a desvelar la composición microscópica de la materia oscura. Se basan en la posible presencia de pequeñas discrepancias entre las predicciones de los diferentes candidatos a la materia oscura. Ya se han emprendido estudios de la mayoría de estas linternas capaces de iluminar nuestro camino. Pero un estudio sistemático de cada una de ellas podría llevar décadas. Salvo que la serendipia nos acompañe, el camino se anticipa largo y tedioso. La ciencia nunca ha sido fácil y el problema de la materia oscura es uno de los grandes problemas de la ciencia del siglo XXI. No olvidemos que lo apasionante de la ciencia son los problemas difíciles.


21 Comentarios

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FranFran

Siempre he tenido dudas sobre la materia oscura. A veces pienso que no es más que una mala interpretación de la fuerza gravitatoria.
Según los cálculos hay 5 veces más matería oscura que barionica.
¿Donde se concentra? ¿Hay materia oscura en la Tierra? ¿Podemos captar sus efectos gravitatorios en los objetos que hay en la Tierra?
A nivel galáctico, los modelos con materia oscura explican correctamente el movimiento de las galáxias y estrellas. Pero ¿existen experimentos tan sensibles para captar su influencia en los atomos y otras partículas a nivel local?
Un saludo

Francisco R. Villatoro

Fran, no eres el único en pensarlo, el problema es que tras más de un siglo de intentos de modificar la gravitación para explicar la materia oscura nadie ha tenido éxito.

La materia oscura total (estimada) en el Sistema Solar (dentro de una esfera con un radio similar a la órbita de Neptuno) tiene masa similar a la de Plutón (algo menor que la Luna), pero distribuido de forma constante por toda esa esfera. Si se concentra en el interior de la Tierra o en el interior del Sol será con un pequeñísimo incremento local de su densidad (indetectable con los instrumentos actuales).

No sabemos qué forma tiene el halo de materia oscura de la Vía Láctea. Desvelar su forma exacta nos permitirá estimar cuando interacciona la materia oscura consigo misma, y a partir de ahí se podrá desvelar si está formada por una sola partícula o por varias partículas en interacción. Así lo sugiere el artículo del que me hago eco.

RicardRicard

Que yo sepa nunca jamas en la historia de la humanidad se ha podido explicar de forma racional una singularidad. Que argumentos hay a favor de pensar que con la materia oscura si que vamos a poder hacerlo, y que vayan mas alla de un simple avance en la precision astrofisica?

RicardRicard

La materia oscura, como citas, está directamente ligada con la atracción gravitacional. Esta atracción por si sola ya da lugar a una singularidad, en este caso la infinita fuerza que se genera entre dos partículas muy juntas. Además podríamos citar la mecánica cuántica, como el límite natural o singularidad de dicha atracción gravitacional. De hecho es que todo empieza o acaba en una singularidad… un gravitón, el propio fotón, el big-bang, un agujero negro, la velocidad de la luz, la expansión del universo o la propia noción de realidad.
Para mi una singularidad es aquel lugar en el que se acaba el mundo material. Si lo quieres ver desde un punto de vista más racional podría pensar en un simple número irracional, o todo aquello que contenga infinito.
Para este caso en particular la materia oscura también sería un límite más.

Francisco R. Villatoro

Ricard, te confundes con la definición del término singularidad. Los teoremas de singularidad de Penrose-Hawking en la gravitación de Einstein lo único que indican es que bajos ciertas circunstancias dicha teoría produce puntos con curvatura infinita, es decir, pequeñas regiones en las que dicha teoría no es aplicable (como toda buena teoría nos indica dónde falla). Nada más y nada menos. Y no tiene nada que con la materia oscura, que no es singular, como tampoco lo es la materia (bariónica).

El origen de las singularidades es que la gravitación gravita, pues gravita la energía y el campo gravitacional tiene energía. Por ello, aparecerán singularidades en la teoría, que solo se pueden evitar con una teoría más general (una futura teoría cuántica de la gravitación).

JavierJavier

Interesante artículo que constata todo lo que no sabemos…
¿Menciona posibles experimentos que contemplen la posibilidad de los agujeros negros primordiales?¿Qué opinión tienes de ese posible origen?

Francisco R. Villatoro

El problema, Javier, es cómo explicar la supervivencia actual de agujeros con cierta masa, pero no más grande, y sin efectos observables de la desaparición de los de menor masa.

U-95U-95

Mi opinion es que va a haber un autentico “modelo estandar de particulas… oscuras”, puede que incluso organizado en un “universo oscuro” que interaccionaria con el nuestro muy poco mas que con la gravedad con todo lo que ello conlleva. Seria demasiado sencillo que el 80% de la materia total del Universo, asumiendo que teorias alternativas como las MOND y similares estuvieran equivocadas, fueran solamente una o muy pocas particulas.

manuel moran coralmanuel moran coral

Saludos a todos los intelectuales amigos dela Fisica y de sus investigadores,la busqueda compleja de la materia oscura, su incertidumbre de posibilidades infinitas tratados con modelos tan complicados como el standar que comparan sus analogos al foton,un foton oscuro.Miran al universo visible de materia barionica e invocando a la serendipia os acompañe en esta larga busqueda de la edad perdida,tal vez les haga falta el detalle mas importante que no estan en los quarks formando hadrones oscuros ni leptones formando atomos oscuros juntos a los bariones oscuros,esto me hace recordar cuando un mestro tuvo una conversa con un prominente sabio, el maestro le dijo tienes que nacer de nuevo y el sabio le dijo como yo puedo nacer de nuevo, si yo soy viejo y no podre volver al vientre de mi madre, bueno aqui descubro algo interesante para los Fisicos hagan una analogia si uds fueran los sabios, como hubieran resuelto esta pregunta que deberian abstraerse y ubicarse a la altura de aquellos tiempos y de los avances para contestarlo, creo que encuentro una dura controversia actualmente de la que deben despojarse entre la Fisica y la metafisica, el sabio tambien la tenia y los sabios actuales tambien.La materia oscura es un reto y para que fin terminaria la ciencia en descubrirla si la fusion nuclear actual es nuestro velatorio anticipado y a que justificacion cientifica responderian?.

Emilio MolinaEmilio Molina

Lo de la materia oscura con todo un Universo Oscuro da para fantasear con algo estilo “Los Otros” donde hay un Francis Oscuro preguntándose qué es ese diferencial oscuro de masa fantasmagórica que detectan y si habrá algún Francis Oscuro preguntándose lo mismo en su Universo Oscuro…

PelauPelau

Sin desmerecer al hipotético antiFrancis preguntándose si habrá un Francis emergido del antimar de antiDirac :)

Me preocupa más la posibilidad de que el conejo de Alice y el de Energizer se den la patita: Oh, ¿química oscura? ¿Fantasmal a nuestra percepción? ¡Bingo! He ahí la “explicación” a la memoria del agua azucarada. It keeps going and going and going… Silogismo Hahnemann para un mundo mejor… para los odontólogos :)

Saludos.

DostrescatorceDostrescatorce

Hola, esto del universo oscuro desde luego es un nuevo enfoque. ¿Debemos suponer otro espacio-tiempo con sus dimensiones propias? ¿Encajaría este universo oscuro en las teorías de supersimetría? ¿Y en la hipotesis del multiverso? Me parecen demasiados interrogantes con dificil respuesta.
Gracias. Un saludo.

LokenLoken

Nadie se plantea que la materia oscura podría no existir, y en su lugar lo que se observa podrían ser interacciones gravitacionales con otras branas, gravitones, sería interesante saber si en las zonas con mayor densidad de materia ordinaria los efectos gravitacionales de la materia oscura son más intensos.

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