NeoFronteras

Nuevo modelo de materia oscura

Área: Física — domingo, 2 de noviembre de 2014

Proponen sustituir el modelo WIMPs de materia oscura por el modelo SIMPs de partículas fuertemente interactuantes.

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En esta simulación se ve la formación de galaxias enanas. Fuente: John Wise, Tom Abel, Ralf Kaehler, Universidad de Stanford.

Uno de los problemas más importantes de la Física actual es saber la naturaleza de la materia oscura. Podemos observar los efectos de materia oscura cuando miramos al Universo y los modelos cosmológicos simplemente no funcionan sin materia oscura, así que esta posiblemente exista. Pero no sabemos qué constituye dicha materia que no emite ni refleja ni oculta la luz.
La idea favorita desde hace 30 años para explicar la materia oscura es decir que esta materia consiste en una multitud de partículas denominadas WIMPs (partículas masivas débilmente interactuantes en sus siglas en inglés). Serían partículas con una masa 100 GeV (100 veces la protón) o menos que interaccionarían débilmente con las partículas ordinarias que constituyen la materia normal, incluidos los fotones de luz. Sin embargo, sí que interaccionarían gravitatoriamente con todas ellas. Es decir, habría interacción gravitatoria e interacción con la fuerza nuclear débil, pero no con la fuerza nuclear fuerte ni electromagnética. Entre ellas las WIMPs también interaccionarían de esa débil manera.
Por esta razón serían tan difíciles de detectar, por una lado la luz no las puede revelar (los fotones son los cuantos de la fuerza electromagnética) y, por otro lado, habría que esperar a que una de esas partículas interaccionase con las partículas de nuestros detectores a través de la fuerza nuclear débil.
Pero hay un par de problemas. El primero y fundamental es que todavía no se han encontrado las dichosas WIMPs en los experimentos diseñados para ello. El segundo es que las WIMPs no son el modelo perfecto que explica las estructuras del Universo a todas las escalas. Como ya sabemos todos, la materia oscura es el andamiaje sobre el que se forman las grandes estructuras del Cosmos, una red de filamentos sobre la que la materia ordinaria se agrega gravitatoriamente. Las WIMPs explican bien la formación de cúmulos de galaxias, pero no explican muy bien las estructuras a escala galáctica.
Según el Universo se expandía se formarían galaxias en los halos de WIMPs. Pero las simulaciones que tienen muestran que si no hay interacción entre las partículas de materia oscura se formarían muchos agregados pequeños que serían muy densos en su centro. Esto daría lugar a muchas galaxias enanas que no se observan en esa abundancia en el universo real.
Sin embargo, el modelo WIMPs posee ciertos éxitos. Al poco de darse el Bing Bang las partículas y antipartículas de WIMPs colisionaban para producir partículas de materia ordinaria. Según se expandía el Universo esas colisiones se hacían más raras debido a la escasa interacción y se terminó con la proporción de masa de 5 a 1 de materia oscura frente a ordinaria que observamos en la actualidad.
Ahora un grupo de físicos propone un modelo alternativo en el que las partículas de materia oscura serían SIMPs (partículas masivas fuertemente interactuantes). Estas partículas escalares (quizás glubolas) estarían aún por descubrir, tendrían una masa de 100 MeV (una décima de la masa del protón), no interaccionarían mucho con las partículas ordinarias salvo gravitatoriamente y sí interaccionarían fuertemente entre ellas (auto-interacción).
Durante el Big Bang se pudieron producir partículas de materia oscura caliente (neutrinos y partículas relativistas) o partículas de materia oscura fría (WIMPs o similares). Las distingue su número y su entropía. En el primer caso se mantuvo constante su número y su entropía. En el segundo se aniquilaban entre sí produciendo partículas de materia ordinaria como hemos descrito antes, su número descendió y se redujo su entropía.
Además, existe la posibilidad de que el número de partículas se mantenga constante y cambie la entropía, por ejemplo si las partículas de materia oscura interaccionaron con los fotones. Pero también existe otra posibilidad en la que el número de partículas varía pero la entropía se mantiene constante. Para ello es necesario que haya interacciones (reacciones) que cambien el número de partículas. Esto es precisamente lo elegido para el modelo de SIMPs.
Los autores del nuevo modelo proponen que entre los tipos de interacciones que se darían estaría un proceso importante mediante el cual tres SIMPs producen dos SIMPs (no se conservaría el número de partículas en esta interacción), que sería más común que el proceso de dos SIMPs produciendo dos SIMPs en el que se conserva el número de partículas. Las SIMPs incluso podrían tener auto-interacción del tipo 4 a 2.
La interacción de las SIMPs con las partículas de materia ordinaria sería aún más débil que la de las WIMPs. Las colisiones 3 a 2 descritas antes calentarían las SIMPs obtenidas y como resultado interaccionarían muy poco con las ordinarias al no tener la misma temperatura de ellas al no poder intercambiar el calor. Sin embargo, las SIMPs serían detectables de cuando en cuando si se utilizan electrones o fotones como blancos de interacción (esto dependería de la naturaleza exacta de las partículas SIMPs) en lugar de usar núcleos atómicos como hasta ahora.
Lo bueno es que las SIMPs predicen unas estructuras a tamaño galáctico que sí se corresponden con lo observado, conservando además el resto de estructuras a gran escala del Universo.
La idea no es del todo nueva, pero parece que funciona en este contexto. Los proponentes califican el nuevo modelo como de “milagro”, pero el tiempo dirá si estaban en lo cierto. En unos pocos años se podría refutar o aceptar esta nueva explicación.

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9 Comentarios

  1. lluís:

    Si no se conserva el número de partículas en esa interacción entre tres SIMPs que producen dos SIMPs, ¿qué pasa con la ley de conservación de la energía y el momento?. ¿ No se viola esa ley?

  2. lluís:

    En cuanto a la posibilidad de que el número de partículas varie pero que la entropía se mantenga constante, pues lo cierto es que no lo veo muy claro.

  3. NeoFronteras:

    Estimado LLuís:
    Sí se conserva la energía. Todo depende de la energía cinética que tengan las partículas que colisionan.

  4. lluís:

    ¿De las que colisionan? ¿ no será de las que resultan de la colisión?.

  5. NeoFronteras:

    Si la energía cinética de las partículas que colisionan es lo suficientemente elevada entonces hay energía para crear partículas “extras”.

  6. lluís:

    Bien, pues entonces supongo que la suma de las energías de esas partículas “extras” sería igual a las de las partículas que colisionaron previamente, ¿no?

  7. NeoFronteras:

    La energía se conserva.

  8. tomás:

    Entonces estamos como en la física clásica en cuanto a la conservación de la energía. Algo así como bolas de billar que chocan y algunas se rompen o más bien se “pegan”. Y en cuanto a la entropía, existe la posibilidad de que también, como en la clásica, aumente. Y si no aumentase la entropía sería porque disminuiría el número de partículas, lo que compensaría el natural incremento.
    ¿Digo bien?

    Es que entre ambos, Neo y “lluís” me habéis encarrilado esta mañana. En cierto modo me habéis centrado, porque me estaba ilusionando con el fúlbol. Sí, porque mientras desayunaba, los locutores mantenían una conversación filosófico-científica sobre si fulanito había jugado un cierto tanto por ciento de veces más infiltrado que menganito (es que no recuerdo los nombres) y, aunque he cambiado de emisora, en la otra estaban en algo muy similar. Y es que el % es matemático y las infiltraciones, medicina: cosas de ciencia. Y la filosofía iba porque, un tal citanito había percibido una estrategia novedosa de 2 x 4 x 4. Sí, con “por”, pero que luego se suma para que dé 10, que más el portero son once. O sea, algo entre las WIMPs y las SIMPs, pero mucho más difícil, naturalmente.

    Si me contestáis al “¿Digo bien?” se agradecerá. Por aquello de de la divulgación.

    Sendos abrazos.

  9. petrus:

    En Física hemos descubierto leyes que parecen inamovibles, sobre todo, para mí, las de la conservación de los momentos, de la energía… pero temo que no podemos extender al infinito su validez sin exponernos a falsear la verdad. Y es que tales leyes suelen ser válidas en el entorno habitual y en la escala de tamaño en que desarrollamos nuestras tareas diarias. Pero cuando descendemos a escalas nanométricas, donde el factor superficie/volumen, por ejemplo, se hace enorme, donde todo es membrana y apenas hay algo en el interior… entonces esas leyes pueden ser otras, adecuadas al nuevo sistema. Veamos una fotografía en papel de, pongamos, un acuario con peces de colores…y tomemos una lupa. A medida que crece el tamaño de la imagen se va desdibujando la figura global hasta que aparecen las unidades de color, los píxeles, cuya forma, tamaño y encaje son absolutamente distintos de los peces originales. Por analogía, cuando afirmamos o utilizamos la ley de conservación de la energía, o del momento o el incremento de entropía más allá de los tamaños conocidos o en sus límites, podemos estar tratando como peces multicolores lo que son solo píxeles de tres colores distintos. A tamaño normal, el calor es energía cinética de partículas materiales, no hay emisión de fotones energéticos solo reparto equitativo de cantidades de movimiento de suma constante cada vez más uniforme, entropía creciente … A este respecto, me pregunto si a nivel atómico tiene sentido el concepto de entropía, ya que la vida media de algunas partículas muy interactivas es por lo menos enorme, lo que implica procesos reversibles perfectos indefinidamente… ( a menos que lo de las ondas de probabilidad sean más reales de lo que suena o, más bien, lo realmente real , perdonad la redundancia ). Así que cuando dos partículas Simps ( píxeles) chocan puede no ocurrir lo mismo que cuando chocan dos moléculas o dos peces.

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