El Programa de Investigación de Materia Oscura de UC Riverside se enfoca en supuestos sobre la física de partículas.

Como sugiere su nombre, la materia oscura, materia que constituye aproximadamente el 85% de la masa del universo, no emite luz, lo que desafía la detección fácil. También sus propiedades siguen siendo algo misteriosas.

Ahora, un físico teórico de partículas de la Universidad de California, Riverside, y sus colegas han publicado un artículo de investigación en Revista de física de altas energías Esto muestra cómo las teorías que postulan un nuevo tipo de fuerza pueden ayudar a explicar las propiedades de la materia oscura.

«Vivimos en un océano de materia oscura, pero sabemos muy poco sobre lo que podría ser», dijo Philip Tanido, profesor asistente de física y astronomía y autor principal del artículo de investigación. «Es una de las incógnitas más inquietantes que se conocen en la naturaleza. Sabemos que está ahí, pero no sabemos cómo buscarlo o por qué no ha aparecido donde esperábamos que estuviera».

Los físicos han utilizado telescopios, experimentos subterráneos gigantes y colisionadores para aprender más sobre la materia oscura durante los últimos 30 años, aunque no hay evidencia positiva. Sin embargo, la evidencia negativa ha obligado a físicos teóricos como Tanido a pensar de manera más creativa sobre qué es la materia oscura.

Flip Tanido es profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de California, Riverside. Crédito: Thomas Wasper

La nueva investigación, que sugiere una dimensión adicional en el espacio-tiempo para buscar materia oscura, es parte de un programa de investigación en curso en UC Riverside dirigido por Tanido. Según esta teoría, algunas partículas de materia oscura no se comportan como partículas. De hecho, las partículas invisibles interactúan con partículas más invisibles de tal manera que estas últimas dejan de comportarse como partículas.

«El objetivo de mi programa de investigación durante los últimos dos años es extender la idea de ‘hablar’ sobre la materia oscura a las fuerzas oscuras», dijo Tanedou. «Durante la última década, los físicos se han dado cuenta de que, además de la materia oscura, las fuerzas oscuras sutiles pueden controlar las interacciones de la materia oscura. Estas podrían reescribir completamente las reglas sobre cómo buscamos la materia oscura».

Si dos partículas de materia oscura se atraen o se repelen, entonces las fuerzas oscuras están en acción. Tanido explicó que las fuerzas oscuras se describen matemáticamente mediante una teoría de dimensiones extra y aparecen como un continuo de partículas que pueden resolver los misterios que vemos en las galaxias pequeñas.

«Nuestro programa de investigación en curso en UCSD es una generalización adicional de la propuesta de la fuerza oscura», dijo. «Nuestro universo observable tiene tres dimensiones de espacio. Sugerimos que puede haber una cuarta dimensión que solo conocen las fuerzas oscuras. La dimensión adicional podría explicar por qué la materia oscura está tan bien oculta a nuestros intentos de estudiarla en el laboratorio».

La foto muestra a Flip Tanido (izquierda), Sylvain Vechet (centro) y Hai-Bo Yu. Crédito: Flip Tanido, Universidad de California Riverside

Tanedo explicó que, si bien las dimensiones adicionales pueden parecer una idea extraña, en realidad es un truco matemático para describir las «teorías de campos coincidentes», teorías tridimensionales ordinarias con mecánica altamente cuántica. Estos tipos de teoremas son matemáticamente ricos, pero no contienen partículas clásicas y, por lo tanto, no suelen considerarse adecuados para describir la naturaleza. La equivalencia matemática entre estas difíciles teorías 3D y las teorías extradimensionales más rastreables se conoce como el principio del holograma.

«Debido a que las teorías de campo conformacional eran intratables e inusuales, no se aplicaron sistemáticamente a la materia oscura», agregó Tanedou. «En lugar de utilizar ese lenguaje, estamos trabajando con la teoría de las dimensiones 3D adicionales».

La característica principal de la teoría extradimensional es que la fuerza entre las partículas de materia oscura es descrita por un número infinito de partículas diferentes de masas diferentes llamado continuo. Por el contrario, las fuerzas normales se describen mediante un solo tipo de partícula con una masa constante. Esta categoría de sectores oscuros persistentes es emocionante para Tanido porque hace algo «nuevo y diferente».

Según Tanido, el trabajo previo sobre sectores oscuros se centró principalmente en teorías que simulan el comportamiento de partículas visibles. Su programa de investigación explora los tipos más extremos de teorías que la mayoría de los físicos de partículas encuentran menos interesantes, posiblemente debido a la falta de análogos en el mundo real.

En la teoría de Tanido, la fuerza entre las partículas de materia oscura es sorprendentemente diferente de las fuerzas que siente la materia ordinaria.

«Para la fuerza gravitacional o fuerza eléctrica que estoy estudiando en un curso de introducción a la física, cuando se duplica la distancia entre dos partículas, se reduce la fuerza cuatro veces. Por otro lado, la fuerza del continuo se reduce en un factor de ocho».

¿Cuáles son las implicaciones de esta fuerza oscura extradimensional? Dado que la materia ordinaria puede no interactuar con esta fuerza oscura, Tanido recurrió a la idea de la auto-interacción de la materia oscura, una idea iniciada por Hai Bo Yu, profesor asociado de física y astronomía en UCLA, que no fue coautor de la papel. Yu demostró que incluso en ausencia de interacciones con la materia normal, los efectos de estas fuerzas oscuras se pueden observar indirectamente en las galaxias esféricas enanas. El equipo de Tanido descubrió que la fuerza conectada puede reproducir los movimientos estelares observados.

«Nuestro modelo va más allá y hace que sea más fácil que el modelo de materia oscura autointeractiva explicar el origen cósmico de la materia oscura», dijo Tanedou.

A continuación, el equipo de Tanido explorará una versión continua del modelo del «fotón oscuro».

«Es una representación más realista de una fuerza oscura», dijo Tanido. «Los fotones oscuros se han estudiado con gran detalle, pero nuestro marco extradimensional tiene algunas sorpresas. También veremos la cosmología de las fuerzas oscuras y la física de los agujeros negros».

Tanedo está trabajando duro para identificar los «puntos ciegos» en la búsqueda de materia oscura por parte de su equipo.

«Mi programa de investigación apunta a una de las suposiciones que hacemos sobre la física de partículas: que la interacción de partículas está bien descrita al intercambiar más partículas», dijo. Si bien esto es cierto para la materia normal, no hay razón para asumirlo para la materia oscura. Sus interacciones pueden describirse como un continuo de partículas intercambiadas en lugar de un solo tipo de partícula de fuerza «.

Referencia: «Materia oscura que interactúa con sí misma mediada por un continuo» por Ian Chaffee, Sylvain Vechet y Philip Tanido, 1 de junio de 2021, Revista de física de altas energías.
DOI: 10.1007 / JHEP06 (2021) 008

Ian Shafee, un investigador postdoctoral que trabaja con Tanido, se une a Tanido Research. y Sylvain Fichet, Investigador Postdoctoral del Centro Internacional de Física Teórica – Instituto Sudamericano de Investigaciones Fundamentales en Brasil.

La investigación fue financiada por el Departamento de Energía de EE. UU.