Fotinos, partículas de materia oscura, podrían ser clave para entender el universo. Descubre su rareza y su papel en la física moderna.
Fotinos | Partícula de Materia Oscura, Clave del Universo y Rara
La materia oscura es uno de los misterios más grandes del universo. Aunque no se puede observar directamente con telescopios, los astrónomos y físicos han encontrado evidencia de su existencia a través de sus efectos gravitacionales sobre la materia visible. Dentro de este enigma, una teoría particular sugiere que una partícula llamada fotino podría ser una pieza clave en entender la materia oscura. En este artículo, exploraremos qué son los fotinos y cómo podrían ayudarnos a entender mejor el universo.
¿Qué es la Materia Oscura?
Antes de profundizar en el concepto de los fotinos, es crucial entender qué es la materia oscura. Aproximadamente el 27% del contenido de masa-energía del universo está compuesto de materia oscura. A diferencia de la materia normal que compone estrellas, planetas y seres vivos, la materia oscura no interactúa con la fuerza electromagnética, lo que significa que no emite, absorbe ni refleja luz, haciéndola invisible y detectable solo a través de sus efectos gravitacionales.
Teoría de las Partículas Supersimétricas
La supersimetría (SUSY) es una extensión teórica del modelo estándar de partículas y fuerzas fundamentales. Propone que cada partícula del modelo estándar tiene un “supercompañero” con distintas propiedades. En este marco, el fotón, que es el mediador de la fuerza electromagnética, tiene un compañero hipotético llamado fotino. Además, otras partículas tienen sus propios compañeros supersimétricos (e.j., el electrón tiene el selectrón, el gluón tiene el gluino).
El Fotino y la Materia Oscura
Los fotinos son partículas supersimétricas que podrían jugar un papel crucial en la composición de la materia oscura. La idea es que los fotinos, al igual que otras posibles partículas supersimétricas como el neutralino, no interactúan significativamente con la materia ordinaria, lo que los hace candidatos ideales para la materia oscura. La existencia de fotinos se plantea dentro de los esquemas de supersimetría de energía baja como teorías propias de la materia oscura fría.
Propiedades de los Fotinos
Veamos algunas de las propiedades fundamentales que hacen de los fotinos interesantes candidatos para materia oscura:
- Masa: Los fotinos se espera que tengan una masa mucho menor comparada con las partículas ordinarias, en el rango de GeV (giga electronvoltios).
- Interacción débil: Al igual que otras partículas de materia oscura propuestas, los fotinos no interactúan mediante la interacciones fuertes o electromagnéticas.
- Estabilidad: Deben ser increíblemente estables en la escala de tiempo cósmica, ya que la materia oscura ha persistido desde casi el inicio del universo.
Teoría Llave: Interacción Gravitacional y Materia Oscura
La existencia de materia oscura se infiere principalmente de la interacción gravitacional que tiene con la materia visible. Por ejemplo, observaciones de las curvas de rotación de galaxias muestran que las estrellas en los bordes exteriores de las galaxias giran mucho más rápido de lo esperado. Esta anomalía solo puede ser explicada si se asume que hay una cantidad significativa de masa adicional que no vemos directamente: ¡la materia oscura!
Además, estudios del fondo cósmico de microondas, las lentes gravitacionales y la dinámica de los cúmulos de galaxias proporcionan más evidencia de la materia oscura. Sin un componente adicional de materia, las estructuras que vemos en el universo no podrían haberse formado en el tiempo transcurrido desde el Big Bang.
Detección y Experimentos
Detectar fotinos o cualquier partícula de materia oscura directamente es un desafío mayor en física de partículas. Sin embargo, hay varios experimentos en curso diseñados buscando revelar la presencia de partículas supersimétricas:
- Colisionadores de Partículas: El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es el colisionador más grande y más potente del mundo. Los científicos esperan que las colisiones de alta energía creen partículas supersimétricas, incluyendo fotinos.
- Detectores Subterráneos: Experimentos como Xenon1T y LUX utilizan grandes tanques de xenón líquido bajo tierra para intentar detectar la débil interacción de la materia oscura con la materia ordinaria.
- Observaciones Astrofísicas: Algunos telescopios especializados buscan señales indirectas de materia oscura a través de la detección de productos de aniquilación de partículas de materia oscura en el espacio.
Modelos Matemáticos
Las teorías que involucran fotinos y otras partículas supersimétricas se apoyan en modelos matemáticos robustos. Un aspecto crucial es la ecuación de Boltzmann que describe la distribución de energía en sistemas de partículas y es fundamental para entender la evolución de la materia oscura en el universo temprano.
La ecuación de Boltzmann simplificada para entender la densidad de la materia oscura es:
\[ \frac{dn}{dt} + 3Hn = -\langle \sigma v \rangle (n^{2} – n_{eq}^{2}) \]
Aquí:
- n es la densidad numérica de partículas de materia oscura.
- H es la constante de Hubble, que representa la tasa de expansión del universo.
- \langle \sigma v \rangle es la media de la sección de aniquilación de la partícula objetivo multiplicada por la velocidad relativa de las partículas.
- n_{eq} es la densidad de equilibrio.