Dark Matter (La materia Oscura y sus candidatos)

Dark Matter La Materia Oscura y sus candidatos: Neutralinos, Axiones, Gravitones, Gravitinos y Neutrinos

Martín Orlando Gil Cardona

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Resumen El término "materia oscura" alude a la materia cuya existencia no puede ser detectada mediante procesos asociados a la luz, es decir, no emiten ni absorben radiaciones electromagnéticas, así como no interaccionan con ella de modo que se produzcan efectos secundarios observables; esta materia ha sido inferida solamente a través de sus efectos gravitacionales con el entorno cercano. Los primeros candidatos a materia oscura mejor conocidos y más estudiados son el neutralino y el axión, sin embargo, se han adicionado otros candidatos como el gravitón y el neutrino. La evidencia más fuerte de materia oscura está en las curvas de rotación de las galaxias espirales. En estas observaciones, la velocidad azimutal de las nubes de hidrógeno rodeando la galaxia es medida (mediante desplazamiento Doppler) en función de la distancia al centro de la galaxia o radio galáctico. Si no hubiese materia oscura, a distancias suficientemente alejadas del centro o bulbo de la galaxia, encontraríamos que la velocidad es inversamente proporcional al radio o distancia galáctica, ya que la masa visible de una galaxia espiral está prácticamente concentrada en su centro, estando el resto sobrante distribuido a su alrededor en forma de lo que en Astronomía denominamos brazos.

Neutralinos, Axiones, Gravitones, Gravitinos, Neutrinos Y la Materia Oscura

Por Martín Orlando Gil Cardona Proyecto: Un rincón para el Cosmos Serie de artículos monográficos para la divulsión de temas de frontera La Materia Oscura y el Universo

El término "materia oscura" alude a un tipo de materia cuya existencia no puede ser detectada mediante procesos asociados a la luz, es decir, este tipo de materia distribuida como una red gaseosa, no emite ni absorbe la radiación electromagnética, así, como no interacciona con ella de modo que se produzcan efectos secundarios observables; esta materia ha sido inferida solamente a través de sus efectos gravitacionales. Descubrimientos sobre el origen del universo y algunas observaciones astronómicas recientes parecen indicar que el universo a gran escala está constituido en su mayoría por una forma de materia aún no observada. Las teorías de las partículas elementales permiten la posibilidad de la existencia de formas de materia en el universo que aun no hemos detectado. Los interrogantes se refieren a la naturaleza de ésta misteriosa forma de materia, las posibilidades experimentales existen para su observación, el origen de esta hipótesis y qué tan fuerte es la evidencia experimental a su favor. Los astrónomos del siglo XIX se dieron cuenta que la órbita de Urano se desviaba con respecto a los resultados predichos por la mecánica de Newton. En 1846 el astrónomo francés Leverrier postuló la existencia de un octavo planeta (Neptuno) que al ser colocado estratégicamente en una órbita especial explicaría las desviaciones observadas en la órbita de Urano. Neptuno fue un ejemplo de materia oscura, es decir una forma de materia cuya existencia se postula para resolver un problema relacionado con la interacción gravitacional de un sistema astronómico. Hoy, tanto los astrofísicos (que estudian el macrocosmos) y los físicos de partículas (que estudian el microcosmos) introducen nuevas formas de materia para ayudarnos a explicar notables observaciones que no concuerdan con las teorías. La física de partículas elementales y la astrofísica han venido en un proceso de convergencia en el que tanto sus teorías como sus descubrimientos están mutuamente ligados. Una serie de cuestiones, persisten dentro de los modelos estándar del Universo, una de ellas es que aún no sabemos si seguirá la expansión del universo para siempre o se detendrá en algún momento para retornar a su colapso, por otro lado, tampoco sabemos a ciencia cierta, cuál es el proceso que genera la

energía en las estrellas, ni cómo se formaron las galaxias y una cuestión adicional consiste en explicar cuáles son los mecanismos que conforman la estructura a gran escala del universo. Las respuestas a estos interrogantes fundamentales dependerán de nuestro conocimiento sobre la cantidad y naturaleza de la materia que llena todos los rincones del universo. La materia oscura puede ser por ejemplo los planetas que no son muy visibles en otros sistemas solares en nuestra galaxia o en otras galaxias, que por no tener luz propia no los hemos observado en forma contundente. También pueden existir grandes cantidades de masa en el espacio interestelar en forma de nubes de partículas de polvo o gas. Estos posibles planetas o nubes de gas no observados estarían constituidos por materia normal, es decir, por materia hecha de los átomos que aparecen en la tabla periódica. Sin embargo, en el universo pueden existir otras manifestaciones de materia oscura como los famosos agujeros negros o formas más exóticas como algunas partículas cuyos nombres son tan oscuros como su propia naturaleza, ejemplo de ellos: Neutralinos, Axiones, Neutrinos, Gravitinos, Fotinos, Higgs, Monopolos magnéticos, WIMPS y otras que seguro arrojarán las nuevas y próximas teorías. En una de las publicaciones del físico teórico Pablo J. Berneo se menciona que hay una fuerte evidencia, mediante variedad de observaciones diferentes, de la existencia de una gran cantidad de materia oscura en el universo. Hay también una extensa evidencia circunstancial de que al menos alguna cantidad de esta materia oscura es de naturaleza no bariónica, es decir, compuesta de partículas elementales distintas a los protones, neutrones (los bariones son todas aquellas partículas compuestas por tres quarks, tales como el protón o el neutrón; el electrón no es un barión sino un leptón, pero por simplicidad siempre que nos referimos a los bariones cuando hablamos sobre materia oscura se sobreentiende que incluimos a los electrones como si de un barión más se tratase). Estas partículas deben haber sobrevivido desde el Big Bang y por lo tanto, deben ser estables o tienen tiempos de vida que exceden la edad actual del universo, o sea que, durante la existencia de una partícula a esta le pueden llegar a ocurrir dos cosas: puede desintegrarse en otras partículas distintas y el tiempo que han tardado en hacerlo desde que fueron "creadas" lo llamamos su tiempo de vida o pueden ser estables por lo que nunca se desintegrarán o transformaran en otra especie. La abundancia de materia oscura normalmente se contabiliza en términos de su densidad de masa en unidades elegidas de modo que son equivalentes a tantos por uno, siendo la densidad que contabiliza toda la masa existente, independientemente de su naturaleza igual a uno. La cantidad total de materia visible, es decir, materia cuya existencia es inferida mediante emisión o absorción de fotones, es aproximadamente 0.005, con una incertidumbre de al menos un factor de dos veces la medida.

La evidencia más fuerte de materia oscura está en las curvas de rotación de las galaxias espirales. En estas observaciones, la velocidad azimutal de las nubes de hidrógeno rodeando la galaxia es medida (mediante desplazamiento Doppler) en función de la distancia al centro de la galaxia o radio galáctico. Si no hubiese materia oscura, a distancias suficientemente alejadas del centro o bulbo de la galaxia encontraríamos que la velocidad es inversamente proporcional al radio o distancia galáctica, ya que la masa visible de una galaxia espiral está prácticamente concentrada en su centro, estando el resto sobrante distribuido a su alrededor en forma de lo que denominamos brazos. Sin embargo, observaciones de muchas galaxias espirales indican una velocidad que es independiente de la distancia a grandes distancias con un valor típico de unos 200 Km.s-1. En otras palabras, el movimiento de la materia que compone la estructura de una galaxia espiral no verifica las leyes de Kepler. Una "curva de rotación plana" como esta implica que la masa total dentro de un radio dado crece linealmente con la distancia. Se sugiere como modelo para intentar explicar este hecho el de una esfera auto-gravitante de gas ideal a una temperatura uniforme, que depende directamente de la masa de la partícula de materia oscura, podría tener este perfil de masa. Las curvas de rotación se miden a lo largo de algunas decenas de kiloparsec, implicando una masa total dentro de este radio que es típicamente unas diez veces la masa visible. En nuestra galaxia, estimaciones de la densidad local de la materia oscura típicamente da un valor de 0.3 GeV.cm-3, pero este resultado es muy sensible al modelo del halo de materia oscura en la galaxia. Otras indicaciones de la presencia de materia oscura vienen de observaciones del movimiento de galaxias y gas caliente en cúmulos de galaxias. El resultado total es que la densidad de materia oscura es aproximadamente 0.2. Estudios en campos de velocidad a gran escala resultan en una densidad igual o mayor que 0.3. Sin embargo estos métodos de determinación requieren algunas suposiciones astrofísicas sobre cómo se forman las galaxias. Ninguna de estas observaciones nos da una indicación directa de la naturaleza de la materia oscura. Si es bariónica, las formas que puede tomar están severamente restringidas, ya que la mayoría de las formas permitidas de este tipo de materia oscura emite y absorbe fotones en por lo menos una banda de

frecuencia observable. Algunas posibles excepciones incluyen remanentes , por ejemplo de enanas blancas, estrellas de neutrones, agujeros negros; estos remanentes provienen de una temprana generación de estrellas masivas u objetos más pequeños que nunca iniciaron la combustión nuclear y por otro lado, podrían tener masas menores que aproximadamente la décima parte o una pequeña fracción de la masa solar. Estos objetos masivos y compactos del halo son colectivamente llamados machos. Resultados preliminares de la búsqueda de machos mediante efectos de lente gravitacional indican que un halo estándar tiene una fracción de masa no mayor que el 0.66% de machos con masa menor que 0.1 masas solares al 95% de nivel de confianza, pero es posible construir modelos de un halo sólo compuesto de machos que es consistente con todas las observaciones. Hay sin embargo, varios argumentos indirectos los cuales argumentan a favor de una cantidad substancial de materia oscura no bariónica. En primer lugar, la nucleosíntesis o formación de núcleos en el espacio, ésta nos da los límites 0.010