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Artículo publicado por Charles Q. Choi el 4 de noviembre de 2015 en SPACE.com

Las partículas de materia oscura pueden haber interactuado ampliamente con la materia normal hace mucho tiempo, cuando el universo era muy caliente, según sugiere un nuevo estudio.

La naturaleza de la materia oscura es, actualmente, uno de los mayores misterios de la ciencia. La invisible sustancia — que es detectable a través de su influencia gravitatoria sobre la materia “normal” — se cree que compone cinco sextas partes de toda la materia del universo.

Anillo de materia oscura

Anillo de materia oscura Crédito: NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

Los astrónomos sospecharon de la existencia de materia oscura cuando advirtieron que el cosmos parecía poseer más masa de que la ostentaban las estrellas. Por ejemplo, las estrellas que orbitan el centro de la Vía Láctea lo hacen tan rápidamente que deberían superar el tirón gravitatorio del núcleo de la galaxia y salir disparadas hacia el vacío intergaláctico. La mayor parte de científicos creen que la materia oscura proporciona la gravedad que ayuda a mantener a estas estrellas en su sitio.

Los científicos han descartado en gran medida todos los materiales comunes candidatos a materia oscura. El consenso, hasta el momento, es que la masa perdida está hecha de un nuevo tipo de partículas que interactúan sólo muy débilmente con la materia común.

Una pista potencial sobre la naturaleza de la materia oscura tiene que ver con el hecho de que es cinco veces más abundante que la materia normal, señalan los investigadores.

“Esto puede que parezca mucho, y lo es, pero si la materia oscura y la normal se generaron de forma completamente independiente, entonces esta cifra es desconcertante”, dice el coautor del estudio Pavlos Vranas, físico de partículas en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en Livermore, California. “En lugar de cinco podría haber sido un millón, o mil millones. ¿Por qué cinco?”

Los investigadores sugieren una posible solución a este misterio: las partículas de materia oscura interactuaron en una época con la materia normal, incluso aunque actualmente apenas lo hacen.

“Esto puede haber sucedido en los inicios del universo, cuando la temperatura era muy alta — tan alta que tanto la materia oscura como la común se ‘fundieron’ en un plasma compuesto por sus ingredientes”, explica Vranas a Space.com.

Los protones y neutrones que forman los núcleos atómicos están formados por un trío de partículas conocidos como quarks. Los investigadores sugieren que la materia oscura también está formada por una partícula “furtiva” compuesta, que consta de un cuarteto de partículas componentes y es difícil de detectar (como un avión furtivo). Las simulaciones por ordenador de los científicos sugieren que estas partículas compuestas pueden tener una masa alrededor de los 200 mil millones de electrón-volts, que es aproximadamente 213 veces la masa de un protón.

Cada quark posee una carga eléctrica fraccionaria positiva o negativa de un tercio o dos tercios. En los protones, suman una carga positiva, mientras que en los neutrones la carga es neutra. Los quarks están confinados dentro de protones y neutrones por la conocida como “interacción fuerte”.

Los investigadores sugieren que las partículas componentes que forman las partículas de materia oscura tienen cada una una carga fraccionaria positiva o negativa de un medio, unidas entre sí, por una “forma oscura” de la interacción fuerte. Las partículas de materia oscura furtiva tendrían sólo una carga neutra, lo que las llevaría a interactuar muy débilmente, como mucho, con la materia común, la luz, los campos eléctricos, y los campos magnéticos.

Los investigadores sugieren que en las temperaturas extremadamente altas que se dieron en el recién nacido universo, los componentes eléctricamente cargados de las partículas de materia oscura furtiva podrían haber interactuado con la materia común. Sin embargo, una vez que el universo se enfrió, una nueva y poderosa, aunque aún desconocida, fuerza podría haber ligado los componentes de estas partículas con fuerza para formar compuestos eléctricamente neutros.

Las partículas de materia oscura furtiva deberían ser estables — sin desintegrarse durante eones, si es que lo hacen, como los protones. Sin embargo, los investigadores sugieren que los componentes que forman las partículas de materia oscura furtiva pueden formar compuestos inestables diferentes que se desintegran poco después de su creación.

“Por ejemplo, se podrían tener partículas compuestas hechas de sólo dos partículas componentes”, explica Vranas.

Estas inestables partículas podrían tener masas de, aproximadamente, 100 mil millones de electrón-volts o más, y podrían crearse en los aceleradores de partículas tales como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) que se halla bajo la frontera franco-suiza. También podrían tener una carga eléctrica y ser visibles a los detectores de partículas, señala Vranas.

Los experimentos en el LHC, o los sensores diseñados para observar raras apariciones de materia oscura colisionando con materia común, “podrían muy pronto encontrar pruebas, o descartar, esta nueva teoría de la materia oscura furtiva”, comenta Vranas en un comunicado.

De existir la materia oscura furtiva, futuras investigaciones podrían investigar los efectos que podría tener sobre el cosmos.

“¿Hay señales en el cielo que puedan detectar los telescopios?”, pregunta Vranas. “Para dar respuesta a estas preguntas, nuestros cálculos necesitarán más recursos de supercomputación. Por suerte, el desarrollo de los supercomputadores está avanzando rápidamente hacia una mayor velocidad de cálculo”.

Los científicos, agrupados en la Lattice Strong Dynamics Collaboration, detallarán sus hallazgos en un próximo ejemplar de la revista Physical Review Letters.

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