En la búsqueda de la misteriosa materia oscura, los físicos han utilizado cálculos informáticos elaborados para obtener un resumen de las partículas de esta forma desconocida de materia. Para hacer esto, los científicos ampliaron el exitoso Modelo estándar de física de partículas que les permitióEntre otras cosas, para predecir la masa de los llamados axiones, candidatos prometedores para la materia oscura.en la supercomputadora Jülich JUQUEEN BlueGene / Q y presenta sus resultados en la revista Naturaleza .
"La materia oscura es una forma invisible de materia que hasta ahora solo se ha revelado a través de sus efectos gravitacionales. En qué consiste sigue siendo un completo misterio", explica el coautor, el Dr. Andreas Ringwald, quien está basado en DESY y quien propuso elinvestigación actual. La evidencia de la existencia de esta forma de materia proviene, entre otras cosas, de la observación astrofísica de galaxias, que giran demasiado rápido para mantenerse unidas solo por la fuerza gravitacional de la materia visible. Mediciones de alta precisión utilizandoEl satélite europeo "Planck" muestra que casi el 85 por ciento de toda la masa del universo consiste en materia oscura. Todas las estrellas, planetas, nebulosas y otros objetos en el espacio que están hechos de materia convencional no representan más del 15 por ciento de la masadel universo.
"El adjetivo 'oscuro' no significa simplemente que no emite luz visible", dice Ringwald. "Tampoco parece emitir ninguna otra longitud de onda; su interacción con los fotones debe ser muy débil".décadas, los físicos han estado buscando partículas de este nuevo tipo de materia. Lo que está claro es que estas partículas deben estar más allá del Modelo Estándar de física de partículas, y aunque ese modelo es extremadamente exitoso, actualmente solo describe el 15 por ciento convencional de todosmateria en el cosmos. De las extensiones teóricamente posibles al Modelo Estándar, los físicos no solo esperan una comprensión más profunda del universo, sino también pistas concretas sobre qué rango de energía vale la pena buscar candidatos de materia oscura.
La forma desconocida de la materia puede consistir en relativamente pocas partículas, pero muy pesadas, o en una gran cantidad de luz. Las búsquedas directas de candidatos pesados de materia oscura usando detectores grandes en laboratorios subterráneos y la búsqueda indirecta usandoLos aceleradores de partículas grandes todavía están funcionando, pero hasta ahora no han aparecido partículas de materia oscura. Una serie de consideraciones físicas hacen que las partículas extremadamente ligeras, los axiones doblados, los candidatos muy prometedores. Utilizando configuraciones experimentales inteligentes, incluso sea posible detectar directamente"Sin embargo, para encontrar este tipo de evidencia sería extremadamente útil saber qué tipo de masa estamos buscando", enfatiza el físico teórico Ringwald. "De lo contrario, la búsqueda podría llevar décadas, porque uno tendría que escanear muchoun rango demasiado grande "
La existencia de axiones se predice por una extensión a la cromodinámica cuántica QCD, la teoría cuántica que gobierna la interacción fuerte, responsable de la fuerza nuclear. La interacción fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza junto con la gravitación, el electromagnetismo yla débil fuerza nuclear, que es responsable de la radiactividad. "Las consideraciones teóricas indican que existen las llamadas fluctuaciones cuánticas topológicas en la cromodinámica cuántica, que deberían dar lugar a una violación observable de la simetría de inversión de tiempo", explica Ringwald. Esto significa que ciertos procesosdebe diferir dependiendo de si se están ejecutando hacia adelante o hacia atrás. Sin embargo, hasta ahora ningún experimento ha logrado demostrar este efecto.
La extensión a la cromodinámica cuántica QCD restaura la invariancia de las reversiones de tiempo, pero al mismo tiempo predice la existencia de una partícula que interactúa muy débilmente, el axión, cuyas propiedades, en particular su masa, dependen de la fuerza de lafluctuaciones cuánticas topológicas. Sin embargo, se necesitan supercomputadoras modernas como la JUQUEEN de Jülich para calcular la última en el rango de temperatura que es relevante para predecir la contribución relativa de los axiones a la materia que forma el universo ". Además de esto, tuvimos que desarrollar nuevosmétodos de análisis para lograr el rango de temperatura requerido ", señala Fodor, quien dirigió la investigación.
Los resultados muestran, entre otras cosas, que si los axiones constituyen la mayor parte de la materia oscura, deberían tener una masa de 50 a 1500 microvoltios electrónicos, expresada en las unidades habituales de física de partículas, y por lo tanto ser de hasta diezmil millones de veces más ligero que los electrones. Esto requeriría que cada centímetro cúbico del universo contenga un promedio de diez millones de partículas ultraligeras. Sin embargo, la materia oscura no se distribuye uniformemente en el universo, sino que forma grupos y ramas de una red similar a una red.Debido a esto, nuestra región local de la Vía Láctea debería contener alrededor de un billón de axiones por centímetro cúbico.
Gracias a la supercomputadora Jülich, los cálculos ahora brindan a los físicos un rango concreto en el que su búsqueda de axiones probablemente sea más prometedora. "Los resultados que presentamos probablemente conducirán a una carrera para descubrir estas partículas", dice FodorSu descubrimiento no solo resolvería el problema de la materia oscura en el universo, sino que al mismo tiempo respondería a la pregunta de por qué la interacción tan fuerte es tan simétrica con respecto a la inversión del tiempo. Los científicos esperan que sea posible en los próximos años.años para confirmar o descartar la existencia de axiones de forma experimental.
El Instituto de Investigación Nuclear de la Academia Húngara de Ciencias en Debrecen, el Grupo de Investigación de Teoría del Indicador de Celosía Lendület en la Universidad Eötvös, la Universidad de Zaragoza en España y el Instituto Max Planck de Física en Munich también participaron en la investigación.
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Materiales proporcionado por DISEÑO Deutsches Elektronen-Synchrotron . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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