No sabemos qué es la materia oscura. Sabemos lo que no es, y eso es un problema. La materia está formada por partículas elementales, desde los quarks y los electrones que forman los átomos y las moléculas, hasta los neutrinos primordiales repartidos por todo el cosmos. Pero ninguna de las partículas elementales conocidas puede comprender materia oscura, entonces, ¿qué es?
La tabla periódica de partículas elementales. Crédito: dominio público, vía Wikipedia
Se han propuesto varias ideas, desde partículas masivas de interacción débil (WIMP), partículas hipotéticas conocidas como axiones, hasta pequeños agujeros negros. Pero hasta ahora, la evidencia realmente no apoya estas ideas. Entonces, los astrónomos han buscado otra partícula teórica conocida como neutrinos estériles.
Los neutrinos son una forma de materia oscura, porque tienen masa e interactúan débilmente con la luz. Pero los neutrinos tienen una masa tan pequeña y una energía tan alta que se mueven por el universo casi a la velocidad de la luz. Por este motivo, se les conoce como materia oscura caliente. Sabemos por observaciones que la materia oscura es mayormente fría, lo que significa que las partículas de materia oscura deben moverse con relativa lentitud. Entonces, si bien los neutrinos constituyen una pequeña parte de la materia oscura, la mayor parte debe ser otra cosa.
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La helicidad de neutrinos y anti-neutrinos. Crédito: Revisión del universo
Hay tres tipos o sabores conocidos de neutrinos, y tienen algunas propiedades bastante extrañas. Una de estas extrañas propiedades es su helicidad. Las partículas elementales tienen espín, y cuando viajan, el espín se orienta a lo largo de su dirección de movimiento (helicidad hacia la derecha) o en dirección opuesta a su movimiento (helicidad hacia la izquierda). La mayoría de las partículas pueden tener cualquier helicidad según la interacción, pero la helicidad de los neutrinos siempre es levógira. No estamos del todo seguros de por qué, pero sabemos que si existieran neutrinos dextrógiros, no interactuarían con la materia regular a través de la fuerza electrodébil. Solo interactuarían con la materia gravitatoriamente, por lo que se les conoce como neutrinos estériles.
Si existen neutrinos estériles, y son solo neutrinos regulares con helicidad hacia la derecha, entonces serían materia oscura caliente y no la materia oscura fría que estamos buscando. Pero hay algunas teorías en las que los neutrinos estériles son mucho más masivos que los neutrinos normales. Estos pesados ??neutrinos estériles podrían comprender materia oscura. Eso si existen.
Si hay neutrinos estériles pesados ??por ahí, podrían ser descubiertos por su desintegración radiactiva. Las partículas pesadas pueden descomponerse en partículas más ligeras con el tiempo, por lo que es posible que los neutrinos estériles puedan descomponerse en sus contrapartes más ligeras, emitiendo fotones de rayos X en el proceso. En un esfuerzo por descubrir estas emisiones de rayos X, un equipo revisó los datos del Observatorio de Rayos X Chandra. No encontraron ninguna evidencia de neutrinos estériles. Sus resultados no fueron lo suficientemente sólidos como para descartar por completo la idea, pero reduce un poco los candidatos teóricos. Específicamente, el estudio establece un límite estricto sobre cómo los neutrinos estériles pueden decaer si existen.
Todavía no sabemos qué es la materia oscura. Estudios como este pueden parecer decepcionantes, pero juegan un papel importante. Al reducir nuestras opciones, nos obligan a centrarnos en candidatos de materia oscura más viables. Hemos aprendido algo más, pero por ahora, todavía estamos en la oscuridad.
Referencia: Sicilian, Dominic, et al. "Sondeo del halo de materia oscura de la Vía Láctea para la línea de 3,5 keV". El diario astrofísico 905.2 (2020): 146.
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¿Pueden los neutrinos interactuar con la materia oscura?
Los neutrinos son un candidato para la materia oscura, pero solo si tienen una masa en reposo distinta de cero. Los neutrinos interactúan solo a través de la fuerza débil y la gravedad, lo que explicaría que no vemos que la materia oscura no se pueda detectar a través de interacciones con la luz como la materia bariónica (normal).
¿Cuánto de la materia oscura podrían ser los neutrinos?
Los modelos mixtos de materia oscura en los que los neutrinos comprenden el 20% de la materia oscura y el resto de la materia oscura está compuesta por materia oscura fría también parecen ser consistentes con una serie de observaciones de estructuras a gran escala .
¿Son los neutrinos materia oscura caliente?
Neutrinos. Un ejemplo de una partícula de materia oscura caliente es el neutrino. Los neutrinos tienen masas muy pequeñas y no participan en dos de las cuatro fuerzas fundamentales, la interacción electromagnética y la interacción fuerte.
¿Por qué los neutrinos no pueden ser parte de la materia oscura?
Esto no es insignificante; los neutrinos ligeros del Universo tienen aproximadamente la misma masa que todas las estrellas del Universo. Pero sus efectos gravitatorios son mínimos y no pueden formar la materia oscura necesaria.