¿Podrían los átomos de materia oscura explicar una observación reciente?

A principios de este año, un proyecto llamado EDGES logró tomar la temperatura del Universo en un momento en que se estaban formando las primeras estrellas. Los resultados fueron algo confusos en el sentido de que la materia regular del Universo parecía ser mucho más fría de lo que esperábamos, en base a la energía que tenía poco después del Big Bang. Si la medición es correcta, entonces algo debe haber enfriado la materia regular.

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Los físicos sospecharon inmediatamente de la materia oscura, ya que todo indica que es relativamente frío, lo que significa que se mueve con la suficiente lentitud para que las interacciones gravitacionales controlen su comportamiento. Pero la materia oscura generalmente no interactúa con la materia regular, lo que dificulta ver cómo los dos podrían haber intercambiado la energía suficiente para enfriar la materia regular.

Ahora, algunos físicos han vuelto con una respuesta potencial: una pequeña fracción de materia oscura tiene una carga, lo que le permite interactuar con la materia regular durante el tiempo entre el Big Bang y la formación del Fondo Cósmico de Microondas.

Un sector oscuro

Por lo general, se considera que la materia oscura es un solo tipo de partícula. Parte de esto es que lo detectamos por un solo efecto, a saber, su influencia gravitacional. Y parte de esta suposición es práctica. Si suponemos que hay un zoológico de diferentes partículas de materia oscura, entonces sería posible convertir sus propiedades para explicar casi cualquier cosa. Pero varios teóricos han considerado la posibilidad de que haya un "sector oscuro" completo, una colección de partículas tan diversas como sus equivalentes de materia regular.

Esas consideraciones teóricas estaban en el fondo cuando se anunciaron los resultados de EDGES. EDGES es un instrumento altamente especializado que se parece a unas varillas de metal colocadas sobre una mesa de metal en la parte superior de una gran placa redonda. Es sensible a una longitud de onda muy específica que registra las interacciones del Fondo Cósmico de Microondas con los primeros átomos del Universo. Al medirlos, EDGES proporciona un sentido de la temperatura de la materia en el Universo temprano, alrededor del tiempo en que se formaron las primeras estrellas.

Esa temperatura, sin embargo, resultó ser notablemente más fría de lo que esperaríamos si la materia hubiera perdido gradualmente la energía que le quedaba después del Big Bang. Lo que sugiere que la materia  y los bioelementos debe haber transferido su energía a otra cosa. Para que esto funcione, esa otra cosa tenía que ser más fría que el asunto.

El modelo preferido para el comportamiento del Universo se llama λCDM, para materia fría y oscura. La parte "fría" de eso sugiere que la materia oscura sería un buen reservorio para absorber parte de esa energía. El problema es transferir la energía, que requiere interacciones entre la materia oscura y la normal. Pero todo lo que hemos visto del Universo indica que estas interacciones son raras y muy débiles.

El documento publicado esta semana trata de modificar la materia oscura lo suficiente como para permitir esta interacción sin modificarla tanto que se vuelve incompatible con el Universo que vemos a nuestro alrededor.

Los dos investigadores detrás del artículo, Julian Muñoz y Avi Loeb, proponen que en lugar de una partícula individual, la materia oscura forma una partícula compuesta similar a un átomo. Por lo tanto, la gran mayoría de ella termina sin carga, capaz de participar en las interacciones gravitacionales que atribuimos a la materia oscura sin interactuar con la materia regular de lo contrario. Pero si hay un pequeño exceso de partículas cargadas que no forman parte de un átomo oscuro, podrían participar en interacciones de carga de macromoléculas.

Constreñido

De hecho, esas interacciones serían más prominentes precisamente en el período que nos importa: las primeras etapas de la evolución del Universo, cuando la materia regular era lo suficientemente caliente como para que los electrones no pudieran establecerse en átomos. Las partículas de materia oscura no chocarían entre sí o con la materia regular, ya que interactúan muy raramente. Pero la materia regular cargada crearía un arrastre en el movimiento de la materia oscura, permitiendo que los dos alcancen un equilibrio térmico. Los autores calculan que solo se debería cobrar una pequeña fracción de materia oscura, menos del uno por ciento, para producir un universo que se parece al que EDGES ve.

Pero la materia oscura cargada también tiene algunas limitaciones, ya que sería más fácil de detectar en varias observaciones y experimentos. Así que Muñoz y Loeb calculan límites en sus propiedades basadas en todo, desde Supernova 1987A hasta el acelerador de partículas SLAC. El resultado que obtienen es una masa que tiene que ser desde aproximadamente un electrón hasta 100 veces más. A modo de carga, los límites sugieren que es un millón de veces más pequeño que el de un electrón, que llaman una "mini carga".

Para que no pienses que eso une bien todo, todavía hay algunos problemas. "La mayor parte del espacio de parámetros que estamos considerando está por debajo de esta línea de reliquias térmicas, lo que requiere nuevas interacciones para permitir que el DM se aniquile de manera eficiente", escriben Muñoz y Loeb. "Dejamos este desafío para la futura construcción de modelos del sector oscuro necesario".

Suponiendo que esos modelos se puedan construir, también podrían ser probados. Debido a que la materia oscura y regular no se distribuirá uniformemente en el Universo temprano, sus interacciones variarían en intensidad. Esto crearía fluctuaciones espaciales en la señal vista por el experimento EDGES. Si bien EDGES probablemente no sea capaz de detectarlos, eventualmente puede haber una fuerte motivación para construir algo que lo haga.