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  • 21/03/2016

Astropartículas

¿Materia oscura supermasiva?

Un modelo de materia oscura poco explorado hasta ahora por los investigadores predice la existencia de una huella medible en el fondo cósmico de microondas.

Physical Review Letters

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Filamentos de materia oscura: Los astrónomos saben desde hace décadas que cerca del 85 por ciento de toda la materia existente en el cosmos no se compone de partículas ordinarias. Un nuevo trabajo ha argumentado que cierto modelo de materia oscura supermasiva, una posibilidad poco explorada hasta ahora por los investigadores, podría ser confirmado o refutado mediante un estudio detallado del fondo cósmico de microondas. [Stefan Gottloeber, Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam; Chris Henze, NASA/Ames.]

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La mayoría de los modelos que intentan explicar la naturaleza de la materia oscura postulan que sus partículas deberían tener una masa no muy lejana de la de bosón de Higgs. En parte, ello se debe a que, de ser así, la materia oscura ayudaría a resolver uno de los grandes problemas conceptuales del modelo estándar: el llamado «problema de las jerarquías», o por qué la masa del bosón de Higgs (125 gigaelectronvoltios, o GeV) se encuentra tan alejada de la escala de Planck (1019 GeV). Este problema aparece porque, en general, los efectos cuánticos deberían «engordar» el bosón de Higgs y hacer que su masa se acercase a la escala a la que comenzasen a aparecer nuevos fenómenos físicos. Pero, si estos no surgen hasta la escala de Planck (la energía a la cual deberían empezar a observarse los efectos cuánticos de la gravedad), ¿por qué la masa del bosón de Higgs es casi un trillón de veces menor?

Así pues, los modelos tradicionales de materia oscura hacen encajar todas las piezas: por un lado, se sabe que el modelo estándar no puede proporcionar una descripción completa de la naturaleza porque, entre otras cosas, no explica la materia oscura; y, por otro, una partícula de materia oscura con una masa cercana a la del bosón de Higgs ayudaría a entender el propio modelo estándar. Dichos modelos cuentan además con otra gran ventaja: si las partículas de materia oscura no fuesen mucho más pesadas que el bosón de Higgs, tal vez podrían aparecer pronto en los grandes aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.

Sin embargo, a pesar de todas las expectativas teóricas y de todos los argumentos basados en la «naturalidad» del modelo estándar, nada obliga a que la naturaleza funcione así. ¿Y si las partículas de materia oscura tuviesen una masa cercana a la escala de Planck? Hasta ahora, esta posibilidad ha sido poco explorada por los investigadores porque, de ser el caso, sería imposible producir partículas de materia oscura en el LHC o en cualquier otro acelerador futuro. Es decir, se trataría de modelos extraordinariamente difíciles de confirmar o refutar por medio de cualquier experimento.

En un artículo publicado hace unos días en Physical Review Letters, Mathias Garny, físico del CERN, y otros investigadores señalan que ese no tendría por qué ser necesariamente el caso. Los autores consideran un modelo muy sencillo en el que la materia oscura se compone de partículas con una masa muy cercana a la escala de Planck y que solo interaccionan con la materia ordinaria por medio de la gravedad. Aunque a primera vista parece que algo así sería imposible de contrastar por medio de las observaciones, Garny y sus colaboradores apuntan una interesante consecuencia: la producción de partículas tan masivas en el universo primitivo tendría que haber generado una gran cantidad de ondas gravitacionales. Y estas, a su vez, habrían dejado una impronta medible en el fondo cósmico de microondas.

Dicha huella sería del mismo tipo que la que hace dos años creyeron haber detectado los investigadores del experimento BICEP2, en la Antártida. Meses después de aquel famoso anuncio, la mayor parte de la señal observada por BICEP2 se demostró consecuencia de las emisiones del polvo galáctico, no de las ondas gravitacionales primigenias. Sin embargo, los expertos aún no han descartado por completo que en el fondo de microondas pueda subsistir una pequeña huella asociada a dichas ondas. En su artículo, Garny y sus colaboradores deducen que, si la materia oscura se compusiese de partículas con una masa cercana a la escala de Planck, la correspondiente señal debería aparecer muy pronto en los datos del fondo de microondas.

Más información en Physical Review Letters (el artículo técnico es de acceso libre) y Physics.

—IyC

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