Los teóricos creen que la materia oscura se forjó en las secuelas del Big Bang.
Simmetry Magazine
Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
Por Matthew R. Francis, para Simmetry Magazine Noviembre 8 de 2016
Las transiciones están dondequiera que miremos. El agua se congela, derrite o hierve; Los enlaces químicos se rompen y se forman para formar nuevas sustancias a partir de diferentes disposiciones de átomos.
El universo mismo pasó por grandes transiciones en los primeros tiempos. Nuevas partículas fueron creadas y destruidas continuamente hasta que las cosas se enfriaron lo suficiente como para permitirles sobrevivir.
Esas partículas incluyen las que conocemos, como el bosón de Higgs o el quark top. Pero también podrían incluir materia oscura, partículas invisibles que actualmente conocemos solo por sus efectos gravitacionales.
En términos cósmicos, las partículas de materia oscura podrían ser una "reliquia térmica" forjada en el temprano universo caliente y luego abandonada durante las transiciones a épocas posteriores más moderadas. Una de estas transiciones, conocida como "congelamiento", cambió la naturaleza de todo el universo.
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El congelador cósmico caliente
En promedio, el universo de hoy es un lugar bastante aburrido. Si escoges un lugar al azar en el cosmos, es mucho más probable que esté en el espacio intergaláctico que, por ejemplo, el corazón de una estrella o incluso dentro de un sistema solar alienígena. Ese lugar probablemente sea frío, oscuro y silencioso.
Lo mismo no era cierto para un lugar aleatorio poco después del Big Bang.
"El universo estaba tan caliente que las partículas se producían a partir de fotones chocando con otros fotones, de fotones golpeando electrones y electrones golpeando positrones y produciendo estas partículas muy pesadas", dijo Matthew Buckley de la Universidad de Rutgers.
Todo el cosmos fue una fiesta aplastante de partículas, pero las fiestas no están pensadas para durar. Este duró solo una billonésima de segundo. Después de eso vino el congelamiento cósmico.
Durante la congelación, el universo se expandió y se enfrió lo suficiente como para que las partículas colisionen con mucha menos frecuencia y de manera catastrófica.
"Una de estas partículas masivas que flotan a través del universo está encontrando cada vez menos versiones de antimateria para colisionar y aniquilar", dijo Buckley.
"Eventualmente el universo se agrandará y enfriará lo suficiente como para que la tasa de producción y la tasa de aniquilación básicamente se reduzca a cero, y solo una abundancia de reliquias, estas pocas partículas flotan solitarias en el espacio".
Muchos físicos piensan que la materia oscura es una reliquia térmica, creada en grandes cantidades antes de que el cosmos tuviese medio segundo de existencia y permanezca en el presente porque apenas interactúa con ninguna otra partícula.
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Un milagroso WIMPy
Una razón para pensar en la materia oscura como una reliquia térmica es una coincidencia interesante conocida como el "milagro WIMP".
WIMP significa "partícula masiva de interacción débil" y WIMP es el candidato más aceptado para la materia oscura. La teoría dice que las WIMP son probablemente más pesadas que los protones e interactúan a través de la fuerza débil, o al menos las interacciones relacionadas con la fuerza débil.
El último bit es importante, porque el congelamiento de una partícula específica depende de qué fuerzas lo afectan y de la masa de la partícula. Las reliquias térmicas creadas por la fuerza débil nacieron temprano en la historia del universo porque las partículas necesitan ser apretadas para que la fuerza débil, que solo funciona en distancias cortas, sea un factor.
"Si la materia oscura es una reliquia térmica, puede calcular qué tan grande debe ser la interacción (entre partículas de materia oscura)", dijo Buckley.
Tanto la luz primordial conocida como el fondo de microondas cósmico y el comportamiento de las galaxias nos dicen que la mayoría de la materia oscura debe moverse lentamente ("frío" en el lenguaje de la física). Eso significa que las interacciones entre partículas de materia oscura deben ser de baja intensidad.
"A través de lo que tal vez sea un hecho muy profundo sobre el universo", dijo Buckley, "esa interacción resulta ser la fuerza de lo que conocemos como la fuerza nuclear débil".
Ese es el milagro de WIMP: los números son perfectos para hacer la cantidad justa de materia WIMPy.
La gran trampa, sin embargo, es que los experimentos aún no han encontrado WIMP. Es demasiado pronto para decir que las WIMP no existen, pero descarta algunas de las predicciones teóricas más simples sobre ellas.
En última instancia, el milagro WIMP podría ser solo una coincidencia. En lugar de la fuerza débil, la materia oscura podría involucrar una nueva fuerza de la naturaleza que no afecta la materia ordinaria lo suficiente como para detectarla. En ese escenario, dice Jessie Shelton de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, "se podría congelar térmicamente, pero el congelamiento es de materia oscura en algún otro campo oscuro en lugar de (algo en) el Modelo Estándar. "
En ese escenario, la materia oscura aún sería una reliquia térmica, pero no un WIMP.
Para Shelton, Buckley y muchos otros físicos, la búsqueda de materia oscura todavía está llena de posibilidades.
"Tenemos razones realmente apremiantes para buscar WIMP térmicos", dijo Shelton. "Vale la pena recordar que este es solo un pequeño rincón de un espacio de posibilidades mucho más amplio".
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