Estudio propone una nueva ventana para la investigación de la materia oscura

Hoy se sabe que toda la materia conocida —estudiada por las ciencias y utilizada por las tecnologías— representa solo el 5 % del contenido del Universo. El resto está compuesto por un componente desconocido, la materia oscura (alrededor del 27 %) y por la energía oscura (cerca del 68 %). Esta cuenta, confirmada por primera vez hace décadas, sigue sorprendiendo tanto a personas legas como a científicos.

En el caso de la materia oscura (MO), las evidencias de su existencia son abundantes – todas derivadas de su interacción gravitacional con la materia común. Desde las curvas de rotación de estrellas en galaxias, pasando por discrepancias en el movimiento de galaxias en cúmulos, la formación de estructuras a gran escala en el Universo, hasta la radiación cósmica de fondo, que se distribuye uniformemente en todo el espacio. Pero, aunque se sabe con un alto grado de certeza que existe, no se sabe qué es exactamente. Y varios modelos propuestos hasta el momento han fracasado.

Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de São Paulo (USP), en Brasil, propone un modelo de materia oscura inelástica que interactuaría con la materia común por medio de un mediador vectorial, similar al fotón, pero con masa. El objetivo es abrir una nueva ventana de observación. El artículo al respecto fue publicado en el Journal of High Energy Physics.

“En este trabajo, consideramos un modelo de MO compuesto por un sector oscuro con partículas ligeras que interactúan débilmente con las partículas conocidas del Modelo Estándar [ME]”, explica Ana Luisa Foguel, doctoranda en el Instituto de Física (IF-USP) y primera autora del artículo.

Contexto

Inicialmente, la búsqueda de materia oscura se centró en candidatos pesados, con masas muchas veces mayores que la del electrón o incluso que las partículas más pesadas del Modelo Estándar (ME). La idea era que, por ser tan masivas, estas partículas no podían ser producidas por los colisionadores de partículas existentes, que aún no tenían la energía suficiente. Sin embargo, incluso con los experimentos realizados en el Large Hadron Collider (LHC), el gigantesco colisionador de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas oficiales en francés), no se observaron nuevas partículas más allá de las del ME.

Ante esto, parte de la comunidad científica cambió de enfoque y pasó a buscar partículas ligeras, aunque con interacciones extremadamente débiles. La idea era que aún no había sido posible observar estas partículas justamente porque interactúan muy débilmente con la materia común. Para investigar señales de ellas, los experimentos tendrían que avanzar hacia la llamada “frontera de intensidad”, es decir, medir acoplamientos e interacciones con cada vez más precisión para buscar eventuales discrepancias que señalaran la existencia de algo nuevo.

Freeze-out térmico

El estudio va en esa dirección. “Al pensar en un nuevo modelo de materia oscura, lo primero es entender cómo fue posible la producción de la cantidad adecuada de ese componente. Hoy en día, esa cantidad se mide con mucha precisión, a partir de datos, por ejemplo, de la radiación cósmica de fondo. Y se conocen varios mecanismos que podrían haber llevado a la generación de materia oscura en el universo primitivo. Uno de los más respaldados teóricamente es el llamado ‘freeze-out térmico’”, afirma Foguel.

En el contexto de la física de partículas o de la cosmología, el ‘freeze-out térmico’ es el momento en que determinadas partículas se desacoplan del baño térmico, es decir, cuando las interacciones que las aniquilan, transformándolas en otras partículas del Modelo Estándar, dejan de ser suficientes. A partir de entonces, como ya no ocurren procesos capaces de cambiar el número de esas partículas, su abundancia “se congela”, permaneciendo prácticamente inalterada.

“Ese mecanismo es interesante y bien conocido, pues tenemos varios ejemplos de partículas del Modelo Estándar cuya abundancia fue generada de esa forma. Por lo tanto, la posibilidad de considerar que los componentes de la materia oscura hayan sido generados por un mecanismo similar es bastante natural”, comenta la investigadora.

En este mecanismo, las partículas candidatas a materia oscura están inicialmente —es decir, justo después del inicio del Universo— en un “baño térmico” con las partículas de la materia común. Es decir, todas las partículas están interactuando muy rápidamente, compartiendo una misma temperatura. Con la expansión y el consiguiente enfriamiento del universo, las partículas pierden ese contacto térmico. A esto se le llama ‘freeze-out’.

“El momento exacto del desacoplamiento depende de la probabilidad de que ocurran interacciones entre las partículas de materia oscura y las del Modelo Estándar. Esa probabilidad se parametriza mediante una variable que llamamos sección eficaz sigma. Si sigma es muy pequeña, las partículas de materia oscura se desacoplan muy pronto y su abundancia resulta muy alta. Por el contrario, si sigma es muy grande, la materia oscura permanece más tiempo en contacto térmico, aniquilándose en partículas del Modelo Estándar, de modo que, al desacoplarse más tarde, no queda con abundancia suficiente”, explica Foguel.

En el caso de materia oscura ligera, la interacción con la materia común se realiza a través de un portal. Es decir, la partícula de materia oscura no se acopla directamente con todas las partículas del Modelo Estándar, sino con una partícula específica, que actúa como mediadora de la interacción entre la materia oscura y el Modelo Estándar. La sección eficaz sigma de dicha interacción es proporcional a la masa de la materia oscura e inversamente proporcional a la masa de la partícula del portal. De esta manera, para que haya una candidata ligera, en un rango de energía inferior al gigaelectronvoltio, el portal no puede ser muy pesado. Así, los bosones del Modelo Estándar que median las interacciones débiles (W⁺, W⁻ y Z⁰) no servirían como portal. Es necesaria la introducción de una nueva partícula oscura para mediar entre la materia oscura y el Modelo Estándar.

“En nuestro modelo, la partícula que media la relación entre los dos sectores es un bosón vectorial (ZQ). Se comporta como un fotón, la partícula que media las interacciones electromagnéticas, pero posee masa. Además, una característica diferencial de este modelo es que ese mediador también interactúa directamente con otras partículas del Modelo Estándar”, explica la investigadora.

Este mediador conectaría las partículas del Modelo Estándar con las partículas de la materia oscura. En el modelo propuesto, existirían dos tipos de estas últimas: una partícula estable (χ₁), que compondría la materia oscura propiamente dicha, y otra partícula inestable, ligeramente más pesada (χ₂). La interacción de ambas con el mediador ZQ siempre ocurriría de forma conjunta; es decir, el mediador interactuaría con ambas al mismo tiempo. Esto definiría un tipo específico de materia oscura, denominada “materia oscura inelástica”. Además, χ₂ podría decaer en χ₁ y en partículas del Modelo Estándar. El estudio muestra que, con todos estos elementos, es posible explicar la abundancia de materia oscura existente en el Universo y, al mismo tiempo, eludir las limitaciones experimentales que impiden su detección.

“Cabe destacar que modelos como el nuestro, con materia oscura inelástica, son interesantes porque, además de explicar la generación eficiente de materia oscura mediante el mecanismo de freeze-out, también permiten sortear las limitaciones actuales de detección directa e indirecta, así como los límites impuestos por la cosmología. La razón radica en que, como χ₂ no es estable y las interacciones dependen de χ₂, no existe una población suficiente de χ₂ durante la época de la recombinación como para inyectar energía en el plasma – lo que podría haber modificado la radiación cósmica de fondo. Tampoco hay χ₂ en el universo actual que pueda decaer o aniquilarse con χ₁ produciendo señales que permitan su detección indirecta. Además, para que χ₁ pueda interactuar en experimentos de detección directa, tendría que transformarse en χ₂, lo cual es muy difícil, ya que χ₂ es más masiva”, detalla Foguel.

Superando el modelo “vainilla”

Según la investigadora, el nuevo modelo propuesto sería una alternativa al modelo “vainilla” de materia oscura (MO) inelástica, que considera un mediador que no se acopla directamente con las partículas de MO. En física de partículas, el término “vainilla” se utiliza para designar la versión más básica y minimalista de un modelo, con el menor número posible de ingredientes teóricos.

“El modelo ‘vainilla’ ya está prácticamente descartado, porque casi la totalidad de los parámetros que reproducen la abundancia correcta de MO han sido excluidos por búsquedas experimentales. De este modo, el objetivo principal de nuestro trabajo fue mostrar que, al considerar una simple modificación de ese modelo —permitiendo mediadores con acoplamientos directos en lugar de indirectos—, podemos eventualmente ‘salvar’ la materia oscura inelástica”, explica Foguel.

“Considerando los modelos propuestos, primero calculamos la abundancia de materia oscura mediante el proceso de freeze-out y pusimos a disposición on-line un código que permite reproducir dichos cálculos, mostrando las regiones del espacio de parámetros que producen materia oscura inelástica, para diferentes valores de carga Q, con la abundancia correcta. Luego, nos enfocamos en los límites de distintos experimentos. Y concluimos que, para ciertos modelos, hay nuevas regiones del espacio de parámetros que están ‘desbloqueadas’, es decir, existen parámetros que reproducen la abundancia correcta de MO y que aún no han sido excluidos. Algunas de estas regiones podrán ser investigadas en experimentos futuros.”

Renata Zukanovich Funchal, profesora titular del Instituto de Física de la USP, tutora de tesis de Foguel, coordinadora del estudio y coautora del artículo, resume: “El uso de mediadores vectoriales más generales abre una nueva ventana para modelos viables de materia oscura inelástica, con consecuencias directas sobre las tasas de decaimiento, las señales experimentales y los límites cosmológicos”.

Foguel contó con el apoyo de FAPESP mediante una beca de doctorado y una beca de pasantía de investigación en el extranjero. Peter Reimitz, coautor del artículo, fue apoyado con una beca de posdoctorado. Y Funchal fue beneficiada con una ayuda regular a la investigación en la modalidad São Paulo Researchers in International Collaboration (SPRINT) y con la participación en el Proyecto Temático “Fenomenología de partículas”. 

El artículo Unlocking the inelastic Dark Matter window with vector mediators puede ser accesado en: link.springer.com/article/10.1007/JHEP05(2025)001.