La banana cósmica primordial y la materia oscura “caliente”

El modelo cosmológico de consenso asume que la materia oscura es “fría” (CDM). La solución ideal viene de la mano de la supersimetría y el llamado “milagro WIMP,” una (super)partícula con una masa de unos GeV. Sin embargo, todos los experimentos que la han buscado han fallado. Además, los modelos numéricos de la dinámica de la formación galáctica en la era oscura del universo encuentran algunos problemas que podrían estar asociados a la materia oscura “fría” y que la materia oscura “caliente” podría resolver; en dicho caso se trataría de una partícula ultrarrelativista con una masa entre 1 y 10 keV (del orden del 10% de la masa del electrón). Lo más natural es pensar en los neutrinos estériles. Los últimos datos cosmológicos apuntan a un número de neutrinos (efectivos) igual a Neff≈4,0 (valor a confirmar de forma definitiva por el satélite Planck en febrero de 2013), pero solo hemos observado tres familias de neutrinos. ¿Cómo podemos encajar todas las piezas de este puzzle?

La extensión más sencilla del modelo estándar que explica estas discrepancias consiste en asociar a cada familia de leptones un neutrino estéril. Solo el más ligero (el asociado a la familia del electrón) tiene una vida media que le permite influir en los límites cosmológicos para el número efectivo de neutrinos y por eso Neff≈4,0. Este neutrino estéril es el candidato ideal a la partícula responsable de la materia oscura caliente. Los experimentos KATRIN y MARE podrían resolver esta cuestión ya que son sensibles a un neutrino estéril con una masa de hasta 18 keV. KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) estudia la desintegración beta del tritio en helio-3, y MARE (Microcalorimeter Arrays for a Rhenium Experiment) la del renio-187.

Desde el punto de vista de la cosmología, la idea de la materia oscura “caliente” está captando cada día más adeptos. Me lo ha recordado el modelo de la banana cósmica primordial de Norma G. Sánchez y sus colegas del Observatorio LERMA. Los interesados pueden consultar las charlas de Norma G. Sánchez, “The Primordial Cosmic banana from WMAP to Planck. Warm (keV)Dark Matter from primordial fluctuations and observations,” 15th Paris Cosmology Colloquium, Chalonge 2011, y “ΛWDM: Galaxy Formation in Agreement with Observations,” 16th Paris Chalonge Colloquium 2012, Paris Observatoire 25-27 July 2012. Para los que prefieren artículos técnicos, recomiendo H. J. de Vega, N. G. Sanchez, “Model independent analysis of dark matter points to a particle mass at the keV scale,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 404: 885, 2010 [arXiv:0901.0922], y H. J. de Vega, P. Salucci, N. G. Sanchez, “The mass of the dark matter particle from theory and observations,” New Astronomy 17: 653-666 (2012) [arXiv:1004.1908].

Uno de los problema más importantes del modelo de materia oscura “fría” (CDM) es que predice la formación de un número demasiado grande galaxias satélite durante las primeras fases de la evolución galáctica. El modelo de materia oscura “caliente” (WDM) predice un número más próximo al número de galaxias satélite observadas en nuestra galaxia y en las galaxias del grupo local. Sin embargo, muchos expertos aún prefieren el modelo CDM opinan que la falta de galaxias satélite es debida a que no las podemos observar porque son demasiado débiles. Pero creo que hay que recordar que le modelo WDM fue abandonado por que los neutrinos no explicaban la materia oscura (se formaban burbujas no observadas en el universo), pero los neutrinos estériles no tienen dichos inconvenientes.

El año que viene será clave para los proponentes del modelo de materia oscura “caliente,” aunque quizás la Naturaleza nos de una sorpresa y la materia oscura sea cierta combinación CDM + WDM. Nunca se puede descartar nada.

16 pensamientos en “La banana cósmica primordial y la materia oscura “caliente”

  1. En el principio se lo llamó “Masa perdida”.
    Después se pensó que no era buen nombre porque parecía que los científicos hubieran perdido algo, así que se lo llamó “materia oscura”.
    Pero ahora resulta que tres cuartas partes de la masa perdida ya no se atribuyen a la materia oscura, sino a la “energía oscura”.
    De modo que hasta que el satélite Planck y los experimentos KATRIN y MARE esclarezcan el asunto, voy a volver a llamarlo el problema de la masa perdida.

    • Ignacio, yo escribí una entrada titulada “La historia de la materia oscura,” hace dos años en la que empezaba diciendo “La existencia de la materia oscura quedó confirmada a partir de 1974, aunque hasta 1980 aún se la llamaba “masa perdida” (“missing mass”) o “masa no visible” (“unseen mass”). Fritz Zwicky usó por primera vez el término “materia oscura” (“dunkle Materie” en alemán) en 1933.” Seguir leyendo…

  2. Hi Francis, in your exposition you use “hot”(“caliente”) for dark matter between 1 and 10KeV. But the original acronym is for “warm”. Hot dark matter would imply DM with only a few eV. So, that warm is a mid way between CDM and HDM

    • Thanks, Daniel, you are completely right, the best translation in Spanish for “warm” is “cálido” o “templado,” so it is better to use “materia oscura cálida” o “materia oscura templada.”

      • Well, I speak Portuguese, which is my 1st language. Words are similar… But I feel more comfortable with English than Spanish.
        Bem, eu falo portguês, que é minha primeira linguas. As palavras são similares… Mas eu me sinto mais a vontade com Inglês que espanhol.

  3. Hot dark matter would be, indeed, for more ordinary neutrinos, or some other light particle. This WDM is something else.

  4. Perdona nuevamente mi ignorancia jeje, neutrinos estériles??????? Que características tienen o en que se diferencian con los neutrinos que conocemos????
    Gracias por tu trabajo.

    • Meyser, la idea de los neutrinos estériles ya la he comentado en varias ocasiones. Serían neutrinos que no interaccionan débilmente con el resto de las partículas. Por ejemplo, neutrinos de helicidad derecha, ya que todos los neutrinos tienen helicidad izquierda. Más información en este comentario a Juanky.

  5. Estimado Francis. Se que este comentario no debería ir en este artículo, pero no se como hacértelo saber ;-): He leído esto y me encantaría que dieras tu siempre interesante opinión. El artuculo es este: http://alt1040.com/2012/08/polemica-cern-nasa-curiosity No crees que este tipo de comentarios hacen daño a la ciencia? Un cordial saludo y gracias por tu tiempo y trabajo.

    • Kuwito, yo creo que no. El tono en inglés de la nota de The New Yorker es claramente satírico, una broma y pocos lectores se confundirán al respecto.

      Una broma es una broma. No hay nada más en esto.

      • Gracias por tu respuesta, ya he visto esta mañana que era una broma. Yo la verdad es que en principio la creí por el carácter competitivo que hay en general en los equipos, pero esta vez me la han colado ;-). Siento el inconveniente.

  6. Leo: “Vizuri, hapa sisi kujisikia vizuri zaidi ya kuzungumza Kiswahili”.

    Totalmente de acuerdo ;-)

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