martes, 7 de diciembre de 2010

Nueva partícula vincularía la materia oscura con la antimateria

SuperKamiokande ubicado a un1 km bajo tierra, es un observatorio de neutrinos. Créditos: Observatorio de Kamioka, Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos, Universidad de Tokio.
Físicos de Estados Unidos y Canadá, han propuesto una nueva partícula que podría resolver dos importantes misterios de la física moderna: ¿Qué es la materia oscura y por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo?

La aún por descubrir “partícula X”, se espera que decaiga mayormente en materia normal, mientras que su antipartícula se espera que decaiga mayormente en antimateria “oculta”. El equipo afirma que su existencia en los inicios del universo podría explicar por qué hay más materia que antimateria en el universo – y que la materia oscura es, de hecho, antimateria oculta.

La materia oscura es una misteriosa sustancia que parece formar el 80% del material del universo. Aunque su existencia puede deducirse de su tirón gravitatorio sobre la materia normal, los físicos aún tienen que detectarla directamente y, por tanto, no saben de qué está hecha. La antimateria, por otra parte, es fácil de crear y estudiar en el laboratorio. No obstante, el Modelo Estándar de la física de partículas no puede explicar porqué la antimateria es tan rara en un universo dominado por la materia –un misterio llamado asimetría bariónica–.

Hipotética y oculta


Ahora, Hooman Davoudias del Laboratorio Nacional Brookhaven National y colegas de TRIUMF y de la Universidad de British Columbia han propuesto una nueva partícula conocida como X que podría resolver los dos misterios. X tiene una masa de aproximadamente 1000 GeV – haciéndola unas mil veces más pesada que un protón. Esta partícula puede decaer en un neutrón o dos hipotéticas partículas ocultas llamadas Y y Φ. Ambas partículas ocultas tendrían masas de aproximadamente 2–3 GeV. Su antipartícula, anti-X, decae en un antineutrón o en el par anti-Y y anti-Φ.

Los físicos han tratado de explicar la asimetría bariónica invocando la violación de la simetría de carga-paridad (CP) – siendo el resultado que las partículas decaen más probablemente para generar materia que antimateria. La violación CP se ha observado en los laboratorios, pero la preferencia por la materia es demasiado pequeña para tener en cuenta la proporción de materia en el universo.

X también comete violación CP de una forma que el autor Kris Sigurdson, de la Universidad de British Columbia, llama patrón de decaimiento “yin yang”. Aunque X decae en neutrones más a menudo que los anti-X decaen en antineutrones, se equilibra con los anti-X, que decaen en anti-Y y anti-Φ más a menudo que Y y Φ. Cuando casi todas las partículas con una antipartícula disponible se aniquilaron entre sí en los inicios del universo, estas discrepancias dejaron un trozo de materia visible y un trozo más pesado de antimateria oscura para formar el cosmos.

Buscar el decaimiento de protones

El equipo también ha pensado cómo podrían detectarse las partículas anti-Y y anti-Φ. Al contrario que las partículas masivas de interacción débil (WIMPs) – que dominan muchas teorías de la materia oscura – anti-Y y anti-Φ no se aniquilan entre sí. Sin embargo, las antipartículas provocarían el decaimiento de protones, lo que está prohibido en el Modelo Estándar. Si alguna partícula anti-Y colisiona con un protón, por ejemplo, la interacción virtual con la partícula X puede desmembrar el protón, transformándolo en un kaón cargado positivamente, y volviendo la partícula anti-Y en una partícula Φ.

Un detector que busque decaimiento de protones, tal como el SuperKamiokande en la mina Kamioka de Japón, podría captar el kaón. Los kaones que se producen de esta forma tendrían unas energías mucho mayores que aquellas generadas por el decaimiento de un protón permitidas por otras teorías que van más allá del Modelo Estándar. Aunque se espera que los protones sean bastante reticentes a este proceso de decaimiento, comenta Sigurdson, “este escenario podría estar en el límite de la detectabilidad”.

“Parece un modelo muy interesante”, dice Dan Hooper del Fermilab. Aunque hay en desarrollo al menos tres modelos que vinculan la producción de materia oscura con la asimetría bariónica, dice que la firma de decaimiento del protón coloca aparte este escenario.

Dirigido por los experimentos

Matthew Buckley del Fermilab dice que hay un súbito interés en vincular la materia oscura con la asimetría bariónica debido a que experimentos recientes han tratado (sin éxito) de detectar la materia oscura. Aunque los modelos WIMP prefieren partículas de materia oscura con masas alrededor de 100 GeV, los experimentos sugieren que las partículas de materia oscura tienen masas cerca de 7 u 8 GeV.

Teniendo una masa tan grande “definitivamente no es ‘como se supone que debería ser’ un WIMP”, dice Buckley. No obstante, la materia oscura que también explica la asimetría bariónica parece estar más en línea con los resultados experimentales – que es por lo que Buckley cree que merece una mayor exploración.

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