Posible quinta fuerza haría improbable la detección de la materia oscura

Nadie saben exactamente qué podría ser la “quinta fuerza” pero unos estudios han demostrado que, si existe una quinta fuerza de largo alcance, podría tener efectos sorprendentes sobre la formación de las estructuras del universo. Una quinta fuerza podría reducir las discrepancias entre la teoría y la observación en distintas áreas de la cosmología.

En esta imagen del Cúmulo Bala, el área azul muestra lo que se cree que es materia oscura. Los físicos están investigando conexiones entre una posible quinta fuerza y la detección directa de la materia oscura. Fuente de la imagen: NASA / CXC / CIA / STSci / Magellan / Univ. of Ariz. / ESO.

Ahora, como ha demostrado una nueva investigación, una quinta fuerza podría estar conectada a la materia oscura. En un artículo publicado en Physical Review Letters, los físicos Jo Bovy y Glennys Farrar quedaron sorprendidos al descubrir que una quinta fuerza en el sector oscuro podría colocar restricciones sobre la materia oscura que podrían básicamente excluir su detección directa a través de interacciones independientes del espín. Inversamente, si futuros experimentos detectan interacciones independientes de espín de materia oscura, entonces cualquier quinta fuerza en el sector oscuro debe ser tan débil que se haría astrofísicamente irrelevante.

“Nuestro estudio demuestra que podemos restringir fuertemente algunas propiedades de la materia oscura, es decir, la combinación de su interacción con el sector visible y la fuerza de una quinta fuerza de largo alcance entre las partículas de materia oscura, a través de experimentos con materia común”, dijo Bovy, estudiante de doctorado en la Universidad de Nueva York, a PhysOrg.com. Sobre qué escenario parece más probable - una quinta fuerza que excluya la detección directa de materia oscura, o una detección directa de materia oscura que excluya una quinta fuerza relevante - Bovy y Farrar dijeron que es imposible decirlo de antemano. “Ambos serían muy interesantes tanto teórica como observacionalmente”, dijo Bovy.

Anteriores investigaciones han sugerido la posibilidad de que existiera una quinta fuerza atractiva de largo alcance, la cual surge en varias extensiones del Modelo Estándar. Aunque la mayor parte de los modelos de materia oscura predicen que la fuerza entre las partículas de materia oscura es una fuerza de corto alcance, otros modelos tales como la supersimetría y la Teoría de Cuerdas, permiten la existencia de un bosón muy ligero que podrá transportar una fuerza de largo alcance en el sector oscuro.

En el estudio actual, la teórica quinta fuerza – una fuerza atractiva no gravitatoria de largo alcance – se acoplaría directamente con la materia oscura pero no con la materia visible común. No obstante, si las partículas de materia oscura interactuasen de forma no gravitatoria con la materia común, las correcciones cuánticas harían que la quinta fuerza surgiera en el sector visible también. Esta corrección cuántica tiene lugar cuando dos partículas virtuales de materia oscura se acoplan al escalar de la quinta fuerza y a dos quarks.

“Nuestro estudio revela una hasta ahora conexión no conocida entre las interacciones de la materia oscura con la materia común, y las propias auto-interacciones entre materia oscura”, dijo Farrar, profesor de física y Director del Centro de Cosmología y Física de Partículas de la Universidad de Nueva York.

Como explican Bovy y Farrar en su estudio, para ser astrofísicamente relevante (es decir, en el orden de la fuerza gravitatoria), el portador de la quinta fuerza debe tener un valor esperado de vacío del orden de la masa de Planck. A su vez, esto requiere que la materia oscura sea muy pesada en la mayor parte de escenarios. En los experimentos de detección directa, los científicos buscaban materia oscura observando las partículas de materia común retrocediendo debido a que son dispersadas por las partículas de materia oscura. Cuando la masa de las partículas de materia oscura se incrementa, los límite en el acoplamiento de la materia oscura y los quarks se hacen más restrictivos, provocando que la detección directa de la materia oscura sea más difícil.

Aparte de sus implicaciones en la detección directa de la materia oscura, también se ha teorizado que una quinta fuerza tendría impacto en la formación de estructuras a gran escala. Si la quinta fuerza fuese atractiva y tuviese un alcance muy grande, incrementaría de forma efectiva la fuerza de la interacción gravitatoria, y de esta forma acelerar la formación de estructuras. Como han demostrado estudios anteriores, tal fuerza podría reducir las discrepancias entre observaciones y predicciones en varias áreas, tales como incrementar el número de cúmulos galácticos y supercúmulos y reducir los vacíos, lo cual encajaría mejor con las observaciones.

Tal y como explican los científicos, los impactos de una posible quinta fuerza no requieren su existencia, pero motiva a los investigadores a explorar sus implicaciones.

“Jo Bovy y yo estamos observando cuáles son las restricciones análogas, entre las posibles señales de aniquilación de materia oscura (buscadas por los satélites Fermi-GLAST y otros experimentos como PAMELA y ATIC) y una quinta fuerza”, dijo Farrar. “También, en colaboración con otros, estoy estudiando los efectos en la cosmología de una fuerza de materia oscura de largo alcance e intentando mejorar las restricciones sobre ella en el Cúmulo Bala”.

Bovy añadió que también está investigando las implicaciones de fuerzas atractivas de corto alcance entre partículas de materia oscura, lo cual podría permitir la detección de aniquilación de materia oscura en las galaxias satélite de la Vía Láctea.

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Más información: Bovy, Jo and Farrar, Glennys R. “Connection between a Possible Fifth Force and the Direct Detection of Dark Matter.” Physical Review Letters 102, 101301 (2009).

Autor: Lisa Zyga
Fecha Original: 26 de marzo de 2009
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Vía Ciencia Kanija