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Ciencia

¿Cómo es la dimensión extra del espacio tiempo en la que se busca la materia oscura?


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Las teorías que postulan la existencia de un nuevo tipo de fuerza podrían ayudar a explicar las propiedades de la materia oscura, según la investigación liderada por un físico teórico de UC Riverside.

“Vivimos en un océano de materia oscura, pero sabemos muy poco sobre lo que podría ser”, explica en un comunicado Flip Tanedo, profesor asistente de física y astronomía y autor principal del artículo, publicado en el Journal of High Energy Physics. “Es una de las incógnitas conocidas más desconcertantes de la naturaleza. Sabemos que existe, pero no sabemos cómo buscarla o por qué no ha aparecido donde la esperábamos”.

Los físicos han utilizado telescopios, experimentos subterráneos gigantes y colisionadores para aprender más sobre la materia oscura durante los últimos 30 años, aunque no se ha materializado ninguna evidencia positiva. Sin embargo, la evidencia negativa ha obligado a físicos teóricos como Tanedo a pensar de manera más creativa sobre lo que podría ser la materia oscura.

La nueva investigación, que propone la existencia de una dimensión extra en el espacio-tiempo para buscar materia oscura, es parte de un programa de investigación en curso en UC Riverside dirigido por Tanedo. Según esta teoría, algunas de las partículas de materia oscura no se comportan como partículas. En efecto, las partículas invisibles interactúan con partículas aún más invisibles de tal manera que estas últimas dejan de comportarse como partículas.

“El objetivo de mi programa de investigación durante los últimos dos años es extender la idea de que la materia oscura ‘habla’ con las fuerzas oscuras“, dijo Tanedo. “Durante la última década, los físicos han llegado a apreciar que, además de la materia oscura, las fuerzas oscuras ocultas pueden gobernar las interacciones de la materia oscura. Estas podrían reescribir completamente las reglas sobre cómo se debe buscar la materia oscura”.

Si dos partículas de materia oscura son atraídas o repelidas entre sí, entonces están operando las fuerzas oscuras. Tanedo explicó que las fuerzas oscuras se describen matemáticamente mediante una teoría con dimensiones adicionales y aparecen como un continuo de partículas que podrían abordar los acertijos que se ven en las galaxias pequeñas.

“Nuestro programa de investigación en curso en la UCR es una generalización adicional de la propuesta de la fuerza oscura”, dijo. “Nuestro universo observado tiene tres dimensiones de espacio. Proponemos que puede haber una cuarta dimensión que solo las fuerzas oscuras conocen. La dimensión extra puede explicar por qué la materia oscura se ha escondido tan bien de nuestros intentos de estudiarla en un laboratorio”.

Tanedo explicó que, aunque las dimensiones extra pueden parecer una idea exótica, en realidad son un truco matemático para describir las “teorías de campo conforme”, teorías tridimensionales ordinarias que son altamente mecánicas cuánticas. Este tipo de teorías son matemáticamente ricas, pero no contienen partículas convencionales, por lo que normalmente no se consideran relevantes para describir la naturaleza. La equivalencia matemática entre estas desafiantes teorías tridimensionales y una teoría extra dimensional más manejable se conoce como el principio holográfico.

“Dado que estas teorías de campo conforme eran intratables e inusuales, en realidad no se habían aplicado sistemáticamente a la materia oscura”, agregó Tanedo. “En lugar de usar ese lenguaje, trabajamos con la teoría holográfica extradimensional”.

La característica clave de la teoría extradimensional es que la fuerza entre las partículas de materia oscura es descrita por un número infinito de partículas diferentes con masas diferentes llamado continuo. Por el contrario, las fuerzas ordinarias se describen mediante un solo tipo de partícula con una masa fija. Esta clase de sectores oscuros continuos es emocionante para Tanedo porque hace algo “fresco y diferente”.

Según Tanedo, el trabajo anterior sobre sectores oscuros se centra principalmente en teorías que imitan el comportamiento de las partículas visibles. Su programa de investigación está explorando los tipos más extremos de teorías que la mayoría de los físicos de partículas encontraron menos interesantes, tal vez porque no existen análogos en el mundo real.

En la teoría de Tanedo, la fuerza entre las partículas de materia oscura es sorprendentemente diferente de las fuerzas que siente la materia ordinaria.

“Para la fuerza gravitacional o fuerza eléctrica que enseño en mi curso de introducción a la física, cuando se duplica la distancia entre dos partículas se reduce la fuerza en un factor de cuatro. Una fuerza continua, por otro lado, se reduce en un factor de hasta ocho.”

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