La materia oscura, la sustancia escurridiza que representa la mayor parte de la masa del Universo, puede estar formada por partículas masivas llamadas gravitones que surgieron por primera vez en el primer momento después del Big Bang. Y estas partículas hipotéticas podrían ser refugiados cósmicos de dimensiones extra, sugiere una nueva teoría.

Crédito: Gerd Altmann.

Los cálculos de los investigadores insinúan que estas partículas podrían haberse creado en las cantidades justas para explicar la materia oscura, que solo se puede «ver» a través de su atracción gravitacional sobre la materia ordinaria.

«Los gravitones masivos son producidos por colisiones de partículas ordinarias en el universo primitivo. Pero se creía que este proceso era demasiado raro para que los gravitones masivos fueran candidatos a materia oscura», dijo el coautor del estudio publicado en la revista Physical Review Letters, Giacomo Cacciapaglia, físico de la Universidad de Lyon en Francia.

Cacciapaglia junto con los físicos de la Universidad de Corea Haiying Cai y Seung J. Lee, descubrieron que se habrían producido suficientes gravitones en el universo primitivo para dar cuenta de todos los materia oscura que detectamos actualmente en el cosmos.

Los gravitones, si existen, tendrían una masa de menos de 1 megaelectronvoltio (MeV), por lo que no más del doble de la masa de un electrón, encontró el estudio.

Este nivel de masa está muy por debajo de la escala en la que el bosón de Higgs genera masa para la materia ordinaria —que es clave para que el modelo produzca suficiente para dar cuenta de toda la materia oscura del universo—. (A modo de comparación, la partícula más ligera conocida, el neutrino, pesa menos de 2 electronvoltios, mientras que un protón pesa aproximadamente 940 MeV, según el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología).

Dimensiones adicionales

El equipo encontró estos gravitones hipotéticos mientras buscaba evidencia de dimensiones adicionales, que algunos físicos sospechan que existen junto con las tres dimensiones observadas del espacio y la cuarta dimensión, el tiempo.

En la teoría del equipo, cuando la gravedad se propaga a través de dimensiones extra, se materializa en nuestro universo como gravitones masivos. Pero estas partículas interactuarían solo débilmente con la materia ordinaria, y solo a través de la fuerza de la gravedad.

Esta descripción es inquietantemente similar a lo que sabemos sobre la materia oscura, que no interactúa con la luz pero tiene una influencia gravitacional que se siente en todo el universo. Esta influencia gravitacional, por ejemplo, es lo que evita que las galaxias se separen.

Crédito: Gerd Altmann.

«La principal ventaja de los gravitones masivos como partículas de materia oscura es que solo interactúan gravitacionalmente, por lo que pueden escapar de los intentos de detectar su presencia», explicó Cacciapaglia.

En contraste, otros candidatos propuestos para la materia oscura —como partículas masivas, axiones y neutrinos que interactúan débilmente— también podrían sentirse por sus interacciones muy sutiles con otras fuerzas y campos.

El hecho de que los gravitones masivos apenas interactúen por gravedad con las otras partículas y fuerzas del universo ofrece otra ventaja.

«Debido a sus interacciones muy débiles, se descomponen tan lentamente que permanecen estables durante la vida del universo», dijo Cacciapaglia. «Por la misma razón, se producen lentamente durante la expansión del universo y se acumulan allí hasta hoy».

Aunque invisible, la materia oscura ejerce gravedad al igual que cualquier otra materia.

En el pasado, los físicos pensaban que los gravitones eran candidatos poco probables a la materia oscura porque los procesos que los crean son extremadamente raros. Como resultado, los gravitones se crearían a velocidades mucho más bajas que otras partículas.

Pero el equipo descubrió que en el picosegundo (la trillonésima parte de un segundo) después del Big Bang, se habrían creado más de estos gravitones de lo que sugerían las teorías anteriores.

Esta mejora fue suficiente para que los gravitones masivos explicaran completamente la cantidad de materia oscura que detectamos, encontró el estudio.

«La mejora fue un shock», exclamó Cacciapaglia. «Tuvimos que realizar muchas comprobaciones para poder asegurar de que estábamos en lo correcto, ya que da como resultado un cambio de paradigma en la forma en que consideramos a los gravitones masivos como posibles candidatos a materia oscura».

Debido a que los gravitones masivos se forman por debajo de la escala de energía del bosón de Higgs, están libres de incertidumbres relacionadas con escalas de energía más altas, que la física de partículas actual no describe muy bien.

La teoría del equipo conecta la física estudiada en los aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones con la física de la gravedad. Esto significa que poderosos aceleradores de partículas como el Future Circular Collider en el CERN, que debería comenzar a operar en 2035, podrían buscar evidencia de estas posibles partículas de materia oscura.

«Probablemente, la mejor oportunidad que tenemos es en futuros colisionadores de partículas de alta precisión. Es algo que estamos investigando actualmente», concluyó Cacciapaglia.

Fuente: Live Science. Edición: MP.