En busca de una carga eléctrica que delate a la materia oscura

Astrónomos han propuesto un nuevo modelo para la materia oscura que conforma la mayor parte del Universo, estudiando si una fracción de dichas partículas puede tener una pequeña carga eléctrica.

"Has oído hablar de autos eléctricos y libros electrónicos, pero ahora estamos hablando de materia oscura eléctrica", dijo Julian Muñoz de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, quien dirigió el estudio que ha sido publicado en la revista Nature. "Sin embargo, esta carga eléctrica está en la más pequeña de las escalas".

Muñoz y su colaborador, Avi Loeb del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA) en Cambridge, Massachusetts, exploran la posibilidad de que estas partículas cargadas de materia oscura interactúen con la materia normal por la fuerza electromagnética.

Su nuevo trabajo encaja con un resultado anunciado recientemente de la colaboración Experiment para detectar el Global EoR (Epoch of Reionization) Signature (EDGES). En febrero, los científicos de este proyecto dijeron que habían detectado la firma de radio de la primera generación de estrellas y la posible evidencia de interacción entre la materia oscura y la materia normal. Algunos astrónomos desafiaron rápidamente el reclamo de EDGES. Mientras tanto, Muñoz y Loeb ya estaban mirando las bases teóricas subyacentes.

"Podemos contar una historia de física fundamental con nuestra investigación, sin importar cómo interpretes el resultado de EDGES", dijo Loeb, que es el presidente del departamento de astronomía de Harvard. "La naturaleza de la materia oscura es uno de los misterios más grandes en la ciencia y necesitamos utilizar cualquier nueva información relacionada para abordarla".

La historia comienza con las primeras estrellas, que emiten luz ultravioleta (UV). Según el escenario comúnmente aceptado, esta luz ultravioleta interactuó con átomos de hidrógeno fríos en el gas que yace entre las estrellas y les permitió absorber la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB), la radiación sobrante del Big Bang.

Esta absorción debería haber llevado a una caída en la intensidad del CMB durante este período, que ocurre menos de 200 millones de años después del Big Bang. El equipo EDGES afirmó haber detectado evidencia de esta absorción de luz CMB, aunque esto aún no ha sido verificado de forma independiente por otros científicos. Sin embargo, la temperatura del gas de hidrógeno en los datos EDGES es aproximadamente la mitad del valor esperado.

"Si EDGES ha detectado gas de hidrógeno más frío de lo esperado durante este período, ¿qué podría explicarlo?" dijo Muñoz. "Una posibilidad es que el hidrógeno se haya enfriado con la materia oscura".

En el momento en que se absorbe la radiación CMB, los electrones o protones libres asociados con la materia ordinaria se habrían movido a la velocidad más lenta posible (ya que más adelante se calentaron con rayos X de los primeros agujeros negros). La dispersión de partículas cargadas es más efectiva a bajas velocidades. Por lo tanto, cualquier interacción entre la materia normal y la materia oscura durante este tiempo habría sido más fuerte si algunas de las partículas de materia oscura están cargadas. Esta interacción haría que el gas de hidrógeno se enfriara porque la materia oscura está fría, lo que podría dejar una firma observacional como la que reclama el proyecto EDGES.

"Estamos limitando la posibilidad de que las partículas de materia oscura carguen una pequeña carga eléctrica, igual a una millonésima que la de un electrón, a través de señales mensurables del amanecer cósmico", dijo Loeb. "Esas cargas pequeñas son imposibles de observar incluso con los aceleradores de partículas más grandes".

Solo pequeñas cantidades de materia oscura con carga eléctrica débil pueden explicar los datos EDGES y evitar el desacuerdo con otras observaciones. Si la mayor parte de la materia oscura está cargada, entonces estas partículas se habrían desviado de las regiones cercanas al disco de nuestra propia galaxia y se habría impedido que volvieran a entrar. Esto entra en conflicto con las observaciones que muestran que grandes cantidades de materia oscura se encuentran cerca del disco de la Vía Láctea.

Los científicos saben por observaciones del CMB que los protones y los electrones se combinaron en el Universo temprano para formar átomos neutros. Solo una pequeña fracción de estas partículas cargadas, aproximadamente una en algunos miles, permaneció libre.

Muñoz y Loeb están considerando la posibilidad de que la materia oscura haya actuado de manera similar. Los datos de EDGES y experimentos similares podrían ser la única forma de detectar las pocas partículas cargadas restantes, ya que la mayor parte de la materia oscura sería neutra.

"El espacio paramétrico viable para este escenario es bastante limitado, pero si se confirma por observaciones futuras, por supuesto, estaríamos aprendiendo algo fundamental sobre la naturaleza de la materia oscura, uno de los mayores enigmas que tenemos hoy en la física", dijo Cora de Harvard. Dvorkin que no estuvo involucrado con el nuevo estudio.

Un documento que describe estos resultados aparece en la edición del 31 de mayo de 2018 de la revista Nature.