Nuevo modelo para la materia oscura

Dibujo20141029 schematic description simp paradigm - phys rev lett

El modelo cosmológico de consenso ΛCDM, con materia oscura fría, explica muy bien el universo a gran escala, pero presenta anomalías a escala galáctica. Una solución puede ser que las partículas de materia oscura tienen una auto-interacción (self-interaction) del orden de σ/m∼0,1-10 cm²/g. Las WIMP, los axiones y los neutrinos estériles no pueden explicar una auto-interacción tan fuerte. En Physical Review Letters se propone como solución el «milagro SIMP» parafraseando el famoso «milagro WIMP», aunque el editor no ha permitido usar un título tan comercial.

La solución propuesta es un modelo genérico para partículas SIMP (Strongly-Interacting Massive Particles) con una aniquilación 3→2 que no conserva el número de partículas (recuerda que WIMP significa Weakly-Interacting Massive Particles). Este modelo predice partículas de materia oscura con una masa de unos 100 MeV (los modelos con WIMP predicen una masa de unos 100 GeV), que podrían ser nuevas partículas escalares aún por descubrir. En el marco del modelo estándar podrían ser las glubolas (glueballs) que predice la cromodinámica cuántica (QCD) y que aún no han sido observadas.

El artículo técnico es Yonit Hochberg, Eric Kuflik, Tomer Volansky, Jay G. Wacker, «Mechanism for Thermal Relic Dark Matter of Strongly Interacting Massive Particles,» Phys. Rev. Lett. 113: 171301, 22 Oct 2014; «The SIMP Miracle,» arXiv:1402.5143 [hep-ph]. En 2014 se han realizado varias propuestas en esta línea.

Dibujo20141029 alpha-eff as function dark matter mass from 3 to 2 freeze-out scenario - phys rev lett

La idea de partículas de materia oscura con una auto-interacción 3→2 y 4→2 en lugar de la convencional 2→2 no es nueva. Las llamadas partículas de materia oscura auto-interaccionantes (SIDMP por Self-Interacting Dark Matter Particles) que, como las glubolas, presentan aniquilaciones que no conservan el número de partículas, fue propuesta en 1992 por Eric D. Carlson, Marie E. Machacek y Lawrence J. Hall («Self-interacting Dark Matter,»  Astrophysical Journal 398; 43-52, 1992).

Las partículas de materia oscura se pueden clasificar en función de lo que les pasó cuando la temperatura del universo descendió durante el big bang por debajo de la temperatura equivalente a su masa. Los dos parámetros clave en este momento son el número de partículas N y su entropía S. Para la materia oscura caliente (neutrinos y otras partículas ultrarrelativistas de baja masa) N y S se mantuvieron constantes. Para la materia oscura fría (las WIMP y otras partículas de gran masa) N y S cambiaron (las partículas de materia oscura se aniquilaron entre sí produciendo partículas del modelo estándar, con lo que su número N descendió y su entropía S cambió).

Por supuesto, hay dos posibilidades más. Por un lado, que N se mantenga constante (las partículas de materia no se aniquilaron), pero que S cambie (gracias a que las partículas de materia oscura interaccionaron con la radiación, es decir, el plasma de fotones). Y por otro lado, que N varíe, pero que S se mantenga constante; para ello las partículas de materia oscura deben presentar una auto-interacción que no conserve el número de partículas (tipo 3→2, tres partículas se aniquilan dando lugar a dos, o tipo 4→2, cuatro partículas se aniquilan dando lugar a dos). Esta última posibilidad se da en la interacción entre glubolas predicha por la QCD y predice reliquias que están entre la materia oscura caliente y la fría, con lo que ajustando su interacción podrían explicar la materia oscura a todas las escalas (desde el fondo cósmico de microondas hasta las galaxias).

Dibujo20141029 self-interaction coupling to electrons versus dark matter mass - phys rev lett

La idea de Yonit Hochberg (Universidad de California, Berkeley, EE.UU.) y sus colegas es sustituir la aniquilación de materia oscura dominada por el acoplo 2→2, que predice una masa mDM ~ αann (TeqMPl)1/2 ~ TeV (en el «milagro WIMP» se suele usar αann ~ 1/30, por una aniquilación dominada por el acoplo 3→2 (es decir, αann ~ 0), que predice una masa mDM ~ αeff (Teq2MPl)1/3 ~ 100 MeV (en el «milagro SIMP» proponen usar αeff ~ 1). Repito, la idea no es nueva, pero Hochberg et al. la rescatan en el contexto de un modelo efectivo general.

Por supuesto, todo candidato a partícula de materia oscura debe interaccionar, aunque sea muy débilmente, con el sector visible. Hochberg et al. nos proponen dos ejemplos concretos. Por un lado, la interacción con los leptones cargados (electrones), vía una acoplo \epsilon \approx O(m_f{}m_{DM}/\Lambda^2). La figura de arriba muestra la región de exclusión para este tipo de interacción. Aún queda hueco por explorar en los experimentos de búsqueda directa de materia oscura.

Dibujo20141029 self-interaction coupling to photons versus dark matter mass - phys rev lett

Por otro lado, Hochberg et al. nos proponen una interacción con los fotones, vía una acoplo \epsilon \approx O(\alpha_{EM}m_{DM}^2/(4\pi\Lambda^2)). La figura de arriba muestra la región de exclusión para este tipo de interacción.

En ambas propuestas se tiene el «milagro SIMP» ya que se logra σ/m∼1 cm²/g, lo que permite acomodar las anomalías observadas en la formación galáctica en el contexto del modelo cosmológico de consenso ΛCDM (que por cierto tienen otras explicaciones más mundanas). Lo interesante del nuevo modelo efectivo para la materia oscura es que hay experimentos en curso de búsqueda directa y futuros datos cosmológicos que permitirán explorar el hueco en el espacio de parámetros que muestran las figuras de arriba. En el próximo lustro se debería poder descartar el nuevo modelo SIMP (o lo que es lo mismo, si es correcto, se deberían encontrar indicios la partícula que predice).

En resumen, recomiendo a los físicos interesados en la materia oscura que echen una ojeada al nuevo artículo en Physical Review Letters y la decena de artículos en esta línea que han aparecido en ArXiv desde febrero.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 29 octubre, 2014
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