HYPER (reliquias de partículas altamente interactivas): un nuevo modelo de materia oscura

Un equipo de investigadores ha propuesto ahora un nuevo candidato para la materia oscura: HYPER, o «Reliquias de partículas altamente interactivas».

En el universo primitivo, una transición de fase cambia la fuerza de la interacción entre la materia normal y la oscura.

La materia oscura sigue siendo uno de los mayores misterios de la física moderna. Está claro que debe existir, porque sin materia oscura, por ejemplo, no se puede explicar el movimiento de las galaxias. Pero nunca ha sido posible detectar materia oscura en un experimento.

Actualmente hay muchas sugerencias para nuevos experimentos. su objetivo es detectar la materia oscura directamente a través de su dispersión de los constituyentes de los núcleos atómicos del medio de detección, es decir, protones y neutrones.

Un equipo de investigadores, Robert McGehee y Aaron Pearce de la Universidad de Michigan y Gilli Ellor de la Universidad Johannes Gutenberg en Mainz, Alemania, han propuesto ahora un nuevo candidato para la materia oscura: HYPER, o Reliquias de Partículas Altamente Interactivas.

En el modelo HYPER, algún tiempo después de la formación de materia oscura en el Universo primitivo, la fuerza de su interacción con la materia ordinaria aumenta dramáticamente, lo que por un lado lo hace potencialmente detectable hoy y al mismo tiempo puede explicar la abundancia de materia oscura. importar. negocio

Esta imagen del telescopio espacial Hubble de la NASA muestra la distribución de la materia oscura en el centro del cúmulo de galaxias gigantes Abell 1689, que contiene unas 1000 galaxias y billones de estrellas.
La materia oscura es una forma invisible de materia que constituye la mayor parte de la masa del universo. Hubble no puede ver la materia oscura directamente. Los astrónomos dedujeron su ubicación analizando el efecto de la lente gravitacional, donde la luz de las galaxias detrás de Abel 1689 se distorsiona por el material que ingresa al cúmulo.
Los investigadores utilizaron las posiciones observadas de 135 imágenes con lentes de 42 galaxias de fondo para calcular la ubicación y la cantidad de materia oscura en el cúmulo. Trazaron este mapa de concentración de materia oscura inferido, de color azul, sobre una imagen del cúmulo tomada por la Cámara avanzada para encuestas del Hubble. Si la gravedad del cúmulo proviniera solo de las galaxias visibles, las distorsiones de lente serían mucho más débiles. El mapa muestra que la concentración más densa de materia oscura está en el núcleo del cúmulo.
Abell 1689 se encuentra a 2.200 millones de años luz de la Tierra. La foto fue tomada en junio de 2002.
Crédito: NASA, ESA, D. Coe (Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA/Instituto de Tecnología de California e Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial), N. Benítez (Instituto de Astrofísica de Andalucía, España), T. Broadhurst (Universidad del País Vasco, España) ) y H. . Ford (Universidad Johns Hopkins)

Nueva diversidad en el sector de la materia oscura

Dado que la búsqueda de partículas pesadas de materia oscura, o las llamadas WIMPS, aún no ha tenido éxito, la comunidad investigadora está buscando partículas de materia oscura alternativas, especialmente las más ligeras. Al mismo tiempo, en general, se pueden esperar transiciones de fase en el sector oscuro; después de todo, hay bastantes en el rango visible, dicen los investigadores. Pero estudios previos han tendido a ignorarlos.

«No ha habido un modelo consistente de materia oscura para el rango de masas al que algunos experimentos planeados esperan acceder. «Sin embargo, nuestro modelo HYPER muestra que la transición de fase en realidad puede hacer que la materia oscura sea más fácilmente detectable», dijo Elor, investigador postdoctoral en física teórica en JGU.

Un desafío de modelo adecuado. Si la materia oscura interactúa con demasiada fuerza con la materia normal, la cantidad (conocida con precisión) que se formó en el universo primitivo sería demasiado pequeña, lo que contradiría las observaciones astrofísicas. Sin embargo, si se produce en la cantidad adecuada, la interacción, por el contrario, sería demasiado débil para detectar la materia oscura en los experimentos actuales.

«Nuestra idea central detrás del modelo HYPER es que la interacción cambia drásticamente una vez, para que podamos tener lo mejor de ambos mundos: la cantidad correcta de materia oscura y una gran interacción para que podamos detectarla», dijo McGehee.

Y así es como lo imaginan los investigadores. en la física de partículas, la interacción suele estar mediada por una partícula en particular, el llamado mediador, al igual que la interacción de la materia oscura con la materia normal. Tanto la formación como la detección de la materia oscura operan a través de este mediador, dependiendo la fuerza de la interacción de su masa; Cuanto mayor es la masa, más débil es la interacción.

Primero, el medio debe ser lo suficientemente pesado para formar la cantidad correcta de materia oscura, y luego lo suficientemente ligero para que la materia oscura sea detectada. Solución. Después de la formación de la materia oscura, se produjo una transición de fase durante la cual la masa del mediador disminuyó repentinamente.

«Entonces, por un lado, la cantidad de materia oscura se mantiene constante y, por otro lado, la interacción se mejora o fortalece para que la materia oscura se detecte directamente», dijo Pearce.

El nuevo modelo cubre casi todo el rango de parámetros de los experimentos planificados.

«El modelo HYPER de materia oscura puede cubrir casi todo el rango, lo que hace que los nuevos experimentos sean accesibles», dijo Ellor.

En particular, el equipo de investigación primero observó la sección transversal máxima de la interacción mediada por el medio del núcleo atómico con protones y neutrones, lo que es consistente con las observaciones astronómicas y la descomposición de cierta física de partículas. El siguiente paso es considerar si existe un modelo de materia oscura que exprese esta interacción.

“Y ahí es donde se nos ocurrió la idea de una transición de fase”, dijo McGehee. «Luego calculamos la cantidad de materia oscura que existe en el universo y luego modelamos la transición de fase a través de nuestros cálculos».

Hay muchas restricciones a considerar, como la cantidad constante de materia oscura.

«Aquí tenemos que observar e incluir sistemáticamente muchos escenarios, como preguntar si es realmente seguro que nuestro mediador no conduzca repentinamente a la formación de nueva materia oscura, que por supuesto no debería», dijo Ellor. . «Pero al final nos aseguramos de que nuestro modelo HYPER funcionara».

La investigación se publica en la revista Cartas de revisión física.

Referencia. «Maximizar la detección directa de partículas altamente interactivas con materia oscura», por Gilly Ellory, Robert McGehee y Aaron Pearce, 20 de enero de 2023. Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.031803