La naturalidad del axión como candidato a materia oscura

Dibujo20160120 The density of the vacuum energy associated with new phase arxiv prl aps org

La naturalidad en Física me recuerda al movimiento Dogma de Lars Von Trier. La física conocida no es natural, pero la nueva física debe serlo. El axión es un candidato a materia oscura predicho por el Modelo Estándar, pero no es natural por su baja masa. Dan Hooper (Univ. Chicago) y dos colegas proponen una segunda inflación cósmica natural para lograr que la física del axión sea natural y logre una candidatura al Óscar de la naturalidad.

La propuesta me parece un poco forzada, un poco antinatural, pero Hooper manifiesta que además de natural, su naturalidad puede se extendida a otras partículas candidatas a materia oscura de gran masa. Igual que las películas Dogma, que lucen un certificado como garantía de autenticidad, la propuesta de Hooper y sus colegas ha sido certificada gracias a su publicación en la revista Physical Review Letters.

El artículo es Hooman Davoudiasl, Dan Hooper, Samuel D. McDermott, «Inflatable Dark Matter,» Accepted, Physical Review Letters (2016), arXiv:1507.08660 [hep-ph]. Me enteré gracias a Kanijo, «Una segunda inflación explicaría el exceso de materia oscura», Ciencia Kanija 2.0, 19 Ene 2016, traducción de «New Theory of Secondary Inflation Expands Options for Avoiding an Excess of Dark Matter,» BNL News, 14 Jan 2016.

Por cierto, en este blog recomiendo leer «La búsqueda del axión como candidato a materia oscura», LCMF, 03 Jun 2014.

Dibujo20140530 estimated constraints axion light particle parameter space - nucleon edm - arxiv

Las anomalías teóricas en el Modelo Estándar requieren una solución. La más sencilla y natural suele ser una de las primeras que se proponen. El problema CP fuerte en la QCD se resuelve gracias al mecanismo de Peccei–Quinn, que se puede considerar como predicción del Modelo Estándar hasta que no sea refutado por los experimentos. Dicho mecanismo predice la existencia de una nueva partícula, el axión (a). Este bosón pseudoescalar es candidato a partícula de materia oscura si su masa ma ∼ O(μeV), resultando Ωa ∼ ΩDM ∼ 0,26. Pero dicha masa no es natural, requiere que el parámetro de Peccei–Quinn sea f ∼ 1012 GeV, cuando un valor más natural es f ∼ MGUT ∼ 1016 GeV. Los límites actuales indican que ma < 10 meV, con f > 109 GeV.

Que el valor de f sea cuatro órdenes de magnitud más pequeño que su valor natural puede ser un problema, o no. Si lo es, debería existir una solución natural a dicho problema. Las partículas WIMP de materia oscura tienen un problema similar. Lo natural es que tengan una masa en la escala electrodébil, mX ∼ O(100 GeV), pero nadie puede descartar que tengan una masa varios órdenes de magnitud mayor, como mX ∼ O(100 TeV). Su masa no sería natural, pero esto puede ser un problema, o no. Hooper y sus colegas proponen una segunda fase inflacionaria en el universo primordial como solución al problema de la falta de naturalidad de partículas candidatas a materia oscura tanto con muy baja masa, como el axión, como con muy alta masa, como un WIMP más allá del alcance del LHC.

Dibujo20160120 The effective annihilation cross section at freeze-out for four benchmark DM models arxiv prl aps org

Una elección adecuada del potencial del campo inflatón (omito detalles) permite que aparezca una segunda fase inflacionaria (menos caliente que la primera). Esta fase tardía puede diluir la abundancia actual de la materia oscura incluso para partículas de muy baja masa o de muy alta masa. La idea no es nueva (David H Lyth, Ewan D Stewart, «Thermal Inflation and the Moduli Problem,» Phys. Rev. D 53: 1784-1798 (1996), doi: 10.1103/PhysRevD.53.1784arXiv:hep-ph/9510204). La fase de recalentamiento tras la (primera) inflación cósmica determina la densidad de las partículas de materia oscura y de materia ordinaria. La segunda fase de recalentamiento tras la segunda inflación tiene un efecto muy pequeño sobre la densidad de la materia (fermiones), pero puede ser muy grande sobre la materia oscura (bosones).

En el recalentamiento de la (primera) inflación la energía del campo inflatón se transforma en energía para todos los campos, pasando el universo a estar dominado por la radiación y a excitarse los campos de todas las partículas de materia (quarks, leptones cargados y neutrinos) y de materia oscura. Pero para partículas de materia oscura de baja masa o de gran masa resulta una densidad que evoluciona a un valor actual que difiere de la observada. Gracias a la fase de recalentamiento de la segunda inflación, que afecta a la materia oscura, pero no a la ordinaria, se puede diluir la densidad de materia oscura y se obtiene un valor compatible con el actual. El factor de dilución (Δ) puede ajustarse de forma natural para permitir que las partículas de materia oscura tengan un amplio rango de masas (como muestra la figura) manteniendo un valor actual de ΩDM ∼ 0,26.

En resumen, complicar la física de la inflación permite que las partículas de materia oscura tengan la densidad observada hoy en día incluso con masas muy diferentes de las que favorece una versión sencilla de la inflación. Igual que el Manifiesto Dogma complica el guión para que la película parezca más natural, nunca se sabe si es más natural lo complicado más natural o lo sencillo menos natural. La naturalidad en la ciencia y en el arte tiene estas cosas.



13 Comentarios

  1. La primera inflación se utilizó para poder explicar algunos desajustes del modelo estándar(isotropía de CMB) y de modelos emergentes ( no deteccion de monopolos magnéticos), cuestión que ha podido extender las teorias actuales ¿ cuánto? ¿30 años?. Para corregir los desajustes creados , se propone una inflación a dos tiempos que permite ajustes más grandes aún. Estaria bien saber que pasa con el problema de la naturalidad, la improbabilidad del universo donde vivimos, ( que segun mi pequeña opinión no es más que producto de teorias que son tan amplias que se podria ajustar a cualquier universo dandole los valores apropiados a las variables, en vez de «el modelo de nuestro universo»)¿ con esta nueva inflación se agrava o se soluciona el problema? ( la selección de unos valores para el campo inflatón parece que se deberían afinar más aún, a primera vista lo agrava).

    Los físicos teóricos tienen que estar felices, ya que podrán seguir buscando ramitas alternativas para seguir proponiendo distintas alternativas, cada vez con mas ajustes, sin tener tal vez que replantear lo que hay e intentar otra modelo algo distinto.

    Por otro lado, es bueno para el conocimiento ya que se seguiran explorando fronteras de energía en colicionadores y se mejorarán los detectores.

    Otra cuestión que lanzo es, ¿cuántas inflaciones (o trucos similares) se podrán proponer? ¿ es compatible una tercera o cuarta o enecima inflación? ¿ Es un camino sin final? ¿Estaría dispuesta la comunidad cientifica a aceptarlo?

    Saludos

    1. MiguelCM, no te equivoques. Caso de que lo convencional sea incorrecto y lo exótico resulte correcto , se trata de corregir los problemas de lo exótico. ¿»Para corregir los desajustes creados»? Pero mientras no sepamos si lo convencional es o no es incorrecto, corregir lo exótico es tirar piedras al mar y esperar pescar algún atún despistado para cenar.

      «¿Cuántas inflaciones…?» Tu argumento recuerda a la flecha de Zenón. Y no, no es el argumento correcto en este caso. Si los axiones fueran la respuesta a la materia oscura, hoy en día sabemos que hay menos axiones de los que debería haber (luego no son la respuesta a la materia oscura, como mucho a parte de la materia oscura). Buscar un mecanismo que permita resolver este problema parece razonable (si eres fan de los axiones). «Corregir» las ideas actuales sobre la inflación (llámale segunda inflación) es una posibilidad entre otras. Pero todavía no sabemos si los axiones son la solución a toda la materia oscura o solo a parte de la materia oscura (como indican los indicios experimentales). Sólo en el primer caso tiene sentido este nuevo artículo.

  2. Um parche más. Otro parche traerá mas desajustes. Seria más apropiado teorias alternativas como la teoria variable de la velocidad de la luz.

    1. Carlos, sabemos que la velocidad de la luz no es variable con gran confianza estadística. Proclamar que lo que sabemos que es falso con gran confianza estadística debe ser verdadero porque queda «bonito» decirlo no es un argumento científico.

      1. No es cierto para experimentos que miden la velocidad de una dirección, en parte por el problema de la sincronización de los relojes, que arroja un resultado identico en ambos casos.

        Al pareser hay se podria medir esa anisotropia si en vez de utilizar relojes, se utilizan medios fisicos para medirla. Un doble disco con agujeros, sobre un eje en rotacion y separados, que deje pasar una luz esperada podria derectar diferencias en distintas direcciones.
        He buscado sobre dicho tema y no hay experimentos concluyentes.

        1. Perdón si os he dañado la vista con el segundo párrafo, Quería decir, » Al parecer se podría….» El hay se colo por que iba a decir que había artículos sobre ello y se me quedó ahí.

  3. Voy a hacer un comentario, a sabiendas de que es puramente especulativo e improbable, y que seguramente me acarreará algún garrotazo dialéctico bien merecido, que asumo con todas las consecuencias.

    Pasan los años y se suceden incontables experimentos para detectar la materia oscura, sin ningún resultado claro más allá de la observación de sus efectos gravitatorios en grandes estructuras espaciales. Y yo me pregunto, ¿los efectos gravitatorios no pudieran deberse a otra cosa?¿sería posible que nuestros cálculos de la materia bariónica común y silvestre hayan subestimado la cantidad contenida en las galaxias y los cúmulos galácticos?¿podrían ser por tanto los efectos gravitatorios causados por materia ordinaria que no hemos sido capaces de detectar debido a nuestras técnicas de observación actuales o a un error en la estimación de la masa total de dichas estructuras?¿no podría deberse por poner un ejemplo a indetectables nubes de hidrógeno moleculares frías y más oscuras que el futuro de las pensiones públicas en España?

    Y digo yo, ¿no estaremos dando palos de ciego en la dirección equivocada con la materia oscura, como a finales del siglo XIX con el dichoso éter?¿nadie tiene la sensación de que con todo esto de la materia oscura (y ni te hablo de la energía oscura) puede haber algo bastante gordo que se nos está escapando en la comprensión del Universo y que seguramente tenemos delante de nuestras narices?

    Francis, sería de agradecer si pudieras dedicar un poco de tu ya de por sí escaso tiempo a elaborar algún artículo que recapitule el asunto de la materia oscura de manera global y el estado actual del tema, más que nada para iluminar almas descarriadas como la mía, que ya no sé qué pensar.

    Adelante con los palos. 🙂

    SalU2

    1. Acuérdate, Sagutxo, que al principio se especuló todo esto que comentas y otras alternativas también ¿no recuerdas hace bastantes años, que se intentaba explicar estas anomalías de la gravedad, aludiendo que en determinados casos la TRG fallaba? No se llegó a la conclusión de estar ante una materia oscura desconocida hasta mucho tiempo después. Todo tipo de posibles causas se han investigado.

    2. Con respecto a la subestimacion de materia bariónica, a ver si algun experto me puede aclarar una cuestión.

      Investigando un poco he visto que para las supernovas tipo Ia , he visto que ademas de tener redshift por la expansión del universo, presentan un alargamiento de la curva de luz proporcional tambien al redshift.

      Lo raro fueron las explicaciones que encontré, ya que hablaban que era causado por la dilatación temporal por la «velocidad» de recesión. No se si he mirado fuentes malas, pero no ne cuadra por dos cuestiones:

      1) Si se tomase como cierta esa velocidad de resección, creo que seria inevitable que el redshift se considerase por efecto dopler. Y entonces no habria que hablar de redshift por expansión o habria el doble de redshidt( una parte por efecto)
      2) Las ecuaciones de dilatación del tiempo «solo son validas» hasta c, y las velocidades de recesión llegan a ser super luminicas.

      Luego entiendo que el consenso sobre ese asunto es que la curva de luz se ha de expandir por la misma razon que cambia la frecuencia, debido a la expansion del espacio, que expande el pulso de luz.

      Ahora bien, con este segundo modelo, tengo una gran duda. ¿Al estirarse el pulso de luz, no deberia brillar menos? Baja la amplitud de onda o llegan menos fotones por segundo, pero manteniendose la cantidad de ellos.

      Por ejemplo si se emiten 100 fotones en 1 segundo a 50 KHz en 1z, nos llegara un pulso de 2 segundos de duración, con 50 fotones por segundo con una frecuencia de 25 KHz.

      ¿Estoy en lo cierto y el modelo es así? Y por lo tanto ¿ se corrige el brillo segun su redshift ( efecto adicional a el de la distancia)? Por que si no se hiciera se podria estar subestimando la cantidad de materia en alto redshift. Esto tendria como consecuencia que se detectase mas materia oscura en redshift altos.

      Espero haber sido claro, saludos!!

    3. Sagutxo, lo maravilloso de la ciencia consiste en explorar lo desconocido. Explorar lo conocido en busca de alguna anomalía es mucho menos placentero. Todavía queda mucho hueco que explorar en busca de la materia oscura. Estamos avanzando poco a poco, no puede ser de otra manera.

      Las modificaciones de la gravedad no pueden ser descartadas. Pero todas las propuestas hasta día de hoy (hay cientos, pero la más famosas son las decenas de variantes de MOND), fallan. Lo siento, fallan. ¿Por qué? Falta imaginación entre los físicos jóvenes.

      Tu opinión es que cuando sepamos la respuesta todos diremos cómo no nos dimos cuenta antes. Pero la opinión de la mayoría de los físicos es que la respuesta más obvia, una nueva partícula aún no descubierta, debe ser explorada, poco a poco, hasta que o bien sea descubierta, o bien sea descartada. Solo entonces los físicos jóvenes estarán dispuestos a dedicar su vida a imaginar opciones alternativas.

      «Modificar la gravedad» son tres palabras, pero hacerlo no es fácil. No debe cambiar nada de lo que sabemos tras 100 años de intensos estudios. Nada. Y hoy en día nadie es capaz de imaginar una modificación compatible con todo lo que sabemos y que además explique otras cosas (como la materia oscura) sin introducir ninguna nueva partícula.

      Saludos
      Francis

  4. Hola Francis.
    Hace tiempo escribiste una entrada sobre un artículo de Alexandre Deur que me pareció curiosa e interesante:
    https://francis.naukas.com/2009/06/24/la-gravedad-cuantica-como-solucion-para-la-materia-oscura-y-la-energia-oscura/

    Explicaba los efectos de la materia oscura a través de la interacción gravitón-gravitón. Nada más natural que esto, no hay que suponer ninguna nueva partícula (al gravitón lo damos por existente). Según comentaste:
    «La nueva teoría predice nuevos resultados que podrán ser verificados/refutados experimentalmente: (1) las curvas de velocidad estelar para galaxias esféricas serán más próximas a las curvas newtonianas que para galaxias elípticas; (2) dos galaxias espirales interactuarán más débilmente que dos galaxias esféricas; (3) el potencial gravitatoria se volverá aproximadamente lineal en clústeres de galaxias ralos; y (4) los modelos de formación galáctica, que actualmente utilizan y requieren materia oscura, conducirán a resultados ligeramente diferentes con la nueva teoría.»

    ¿Tienes noticias de cómo está este tema? ¿lo han rechazado? ¿sigue vivo?. Gracias por tu tiempo.

  5. Bueno, lo primero agradecer a Pedro y Francis por sus comentarios.

    Desde luego, no soy yo partidario de las teorías de la gravedad modificada, dentro de mis escasos conocimientos. Tanto la gravedad Newtoniana (para escenarios «normales») como la gravedad de la RG (para escenarios relativistas) parecen funcionar muy bien. Otra cosa es lo que puedan aportar al respecto de la misma naturaleza de la gravedad y el tejido del espaciotiempo las últimas líneas de trabajo propuestas. Yo apuntaba más hacia la posibilidad de un cálculo básico (la masa total de galaxias y cúmulos) inexacto debido a nuestros métodos de observación actuales. Hace no mucho algunos astrónomos descubrieron grandes masas de nubes de hidrógeno moleculares que podrían dar a entender que con el instrumental actual puede que haya grandes estructuras de materia ordinaria que no hemos observado y que podrían contribuir a los efectos gravitatorios extra que no nos cuadran. Puede haber grandes masas de materia cuya emisión en el espectro electromagnético sea mínimo o casi indetectable actualmente. Si en un futuro próximo se mejorara la sensibilidad de nuestro instrumental (pongamos mejores telescopios espaciales o un observatorio avanzado en la Luna) creo que habría sorpresas. Desconozco si lo que descubriéramos sería suficiente para explicar la masa faltante que explique los efectos gravitatorios sin recurrir a la materia oscura. En todo caso, lo reconozco, es puramente especulativo y probablemente estoy errado.

    Lo de la comparación de la materia oscura con el legendario éter del siglo XIX, venía a cuento en el sentido de que el éter fue una hipótesis socorrida para explicar algunas cosas que no encajaban en la física de aquel entonces. Y a veces tengo la sensación, como lego en la materia desde luego, que la materia oscura es la misma cosa, es decir una hipótesis socorrida, ad hoc, para intentar encajar cosas que no nos encajan por el momento, a falta de una explicación mejor.

    Respecto al comentario del amigo MiguelCM, hay algunas cosas que no termino de entender. Por ejemplo, donde dices » ¿Al estirarse el pulso de luz, no deberia brillar menos? Baja la amplitud de onda o llegan menos fotones por segundo, pero manteniéndose la cantidad de ellos.»

    A mi me parece que si un pulso de luz con una frecuencia, amplitud y fase determinada, viaja a través de un tejido del espaciotiempo que se estira, es decir, que se expande, creo que lo que se modificaría sería su frecuencia, que disminuiría (corrimiento hacia el rojo).

    SalU2

    1. El cambio de frecuencia es un efecto conocido, el redshift por la expansión del espacio. Lo que yo desconocía hasta hace poco ( y lo conocí por una predicción en un modelo propio) era que la curva de luz de las supernovas, no solo tiene corrimiento al rojo, sino que se alarga ( se alarga el tamaño del pulso de la luz) proporcionalmente con el corrimiento al rojo.

      La verdad es que no sé más detalles sobre el mecanismo por el cual la luz sufre redshift, que imaginarme que la propia onda va siendo estirada por la propia expansión del espacio, dentro de su amplitud y durante cada instante del recorrido. Si éste fuera el mecanismo, entiendo que como mismo aumenta la longitud de onda, también aumentaría el tamaño del pulso de luz. Esa luz que medimos con redshift, fue generada en un intervalo de tiempo t, y ocupará también una longitud determinada viajando por el espacio. No parece descabellado que el tamaño del pulso de luz aumente de tamaño en el viaje, y por lo tanto en la detección el intervalo de tiempo t sea mayor ( proporcionalmente al redshift).

      La cuestión es que no he oído hablar de este efecto y que además las respuestas que encontré no explicaban el efecto así y me gustaría saber cual es la interpretación aceptada de este fenómeno.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 20 enero, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Materia oscura • Noticias • Physics • Science
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