Predicen la composición de la materia oscura con firmas cosmológicas


Representación artística de la nucleosíntesis del Big Bang, el período del universo primitivo en el que los protones
Representación artística de la nucleosíntesis del Big Bang, el período del universo primitivo en el que los protones "p" y los neutrones "n" se combinan para formar elementos ligeros. La presencia de materia oscura "χ" cambia la cantidad de cada elemento que se forma. Imagen por cortesía de Cara Giovanetti/Universidad de Nueva York

Además de los experimentos sobre la materia oscura, hay otras formas de saber más sobre ella. Podemos saber mucho sobre la materia oscura realizando mediciones precisas de muchas características cósmicas, como la proporción de helio en el universo o las temperaturas de diversas partículas en el cosmos primitivo.

En una nueva investigación, un equipo de físicos ha desarrollado un método para predecir la composición de la materia oscura. Establece nuevas formas de encontrar estas firmas en modelos más complejos, que los experimentos siguen buscando.

Los científicos se centraron en la nucleosíntesis del Big Bang (BBN), un proceso por el que se crean formas ligeras de materia, como el helio, el hidrógeno y el litio. La presencia de materia oscura invisible afecta a la formación de estos elementos. El fondo cósmico de microondas (CMB), la radiación electromagnética producida por la combinación de protones y electrones, también es esencial para entender estos sucesos.

El equipo buscó un medio para detectar la presencia de una categoría específica de materia oscura con una masa entre la del electrón y la del protón creando modelos que consideraran tanto el BBN como el CMB.
 


Cara Giovanetti, estudiante de doctorado en el Departamento de Física de la Universidad de Nueva York y autora principal del trabajo, explica:

 "Dicha materia oscura puede modificar las abundancias de ciertos elementos producidos en el universo primitivo y dejar una huella en el fondo cósmico de microondas al modificar la velocidad de expansión del universo".

Los hallazgos del equipo incluyen predicciones de huellas cósmicas conectadas a tipos específicos de materia oscura. Estas firmas son el resultado de la materia oscura que altera la temperatura de varias partículas o el ritmo de expansión del cosmos.

Sus hallazgos demostraron que una materia oscura demasiado ligera produciría cantidades de elementos ligeros diferentes de las que pueden detectar las observaciones astronómicas.

Según Giovanetti, "las formas más ligeras de materia oscura podrían hacer que el universo se expandiera tan rápido que estos elementos no tuvieran la oportunidad de formarse. De nuestro análisis se desprende que algunos modelos de materia oscura no pueden tener una masa demasiado pequeña, de lo contrario, el universo tendría un aspecto diferente al que observamos."

Fuentes, créditos y referencias:

Cara Giovanetti, Mariangela Lisanti, Hongwan Liu, and Joshua T. Ruderman. Joint Cosmic Microwave Background and Big Bang Nucleosynthesis Constraints on Light Dark Sectors with Dark Radiation. Phys. Rev. Lett. 129, 021302 – Published 6 July 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.021302

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