Décadas después de que quedó claro que el Universo visible está construido sobre un marco de materia oscura, todavía no sabemos qué es realmente la materia oscura. A gran escala, una variedad de evidencia apunta hacia lo que se llama WIMP: partículas masivas que interactúan débilmente. Pero hay una variedad de detalles que son difíciles de explicar usando WIMP, y décadas de búsqueda de las partículas no han arrojado nada, lo que deja a la gente abierta a la idea de que algo más que WIMP comprende la materia oscura.
Uno de los muchos candidatos es algo llamado axión, una partícula portadora de fuerza que se propuso para resolver un problema en un área no relacionada de la física. Son mucho más livianos que los WIMP, pero tienen otras propiedades que son consistentes con la materia oscura, que ha mantenido un interés de bajo nivel en ellos. Ahora, un nuevo artículo argumenta que hay características en una lente gravitacional (en gran parte el producto de la materia oscura) que se explican mejor por las propiedades similares a las de los axiones.
¿Partícula u onda?
Entonces, ¿qué es un axión? En el nivel más simple, es una partícula extremadamente ligera sin giro que actúa como portador de fuerza. Se propusieron originalmente para garantizar que la cromodinámica cuántica, que describe el comportamiento de la fuerza fuerte que mantiene unidos a los protones y los neutrones, no rompa la conservación de la paridad de carga. Se trabajó lo suficiente para asegurarse de que los axiones fueran compatibles con otros marcos teóricos, y se realizaron algunas búsquedas para tratar de detectarlos. Pero los axiones han languidecido en su mayoría como una de las posibles soluciones a un problema que no hemos descubierto cómo resolver.
Sin embargo, han atraído cierta atención como posibles soluciones a la materia oscura. Pero el comportamiento de la materia oscura se explicaba mejor por una partícula pesada, específicamente una partícula masiva de interacción débil. Se esperaba que los axiones fueran más ligeros y potencialmente podrían ser tan ligeros como el neutrino casi sin masa. Las búsquedas de axiones tendieron a descartar también muchas de las masas más pesadas, lo que hizo que el problema fuera aún más pronunciado.
Pero los axiones pueden estar regresando, o al menos mantenerse firmes mientras los WIMP se enfrentan. Ha habido una serie de detectores construidos para tratar de captar indicaciones de las interacciones débiles de los WIMP, y han resultado vacíos. Si los WIMP son partículas del modelo estándar, podríamos haber inferido su presencia en función de la masa faltante en los colisionadores de partículas. No se han recibido pruebas de ello. Eso ha llevado a la gente a reexaminar si los WIMP son la mejor solución para la materia oscura.
En escalas cosmológicas, los WIMP continúan ajustando los datos extremadamente bien. Pero una vez que llegas a los niveles de galaxias individuales, hay algunas rarezas que no funcionan tan bien a menos que el halo de materia oscura que rodea una galaxia tenga una estructura complicada. Cosas similares parecen ser ciertas cuando intentas mapear la materia oscura de galaxias individuales en función de su capacidad para crear una lente gravitacional que deforma el espacio para que magnifique y distorsione los objetos de fondo.
La materia oscura basada en WIMP, modelada a la izquierda, conduce a una distribución suave de alta (roja) a baja (azul) a medida que se aleja del núcleo de una galaxia. Con los axiones (derecha), la interferencia cuántica crea un patrón mucho más irregular.
Amruth, et. Alabama.
El nuevo trabajo intenta relacionar estas posibles rarezas con una diferencia entre las propiedades de WIMPS y los axiones. Como su nombre lo indica, los WIMP deberían comportarse como partículas discretas, interactuando casi en su totalidad a través de la gravedad. Por el contrario, los axiones deberían interactuar entre sí a través de la interferencia cuántica, creando patrones similares a ondas en su frecuencia a lo largo de una galaxia. Entonces, mientras que la frecuencia de los WIMP debería disminuir suavemente con la distancia desde el núcleo de una galaxia, los axiones deberían formar una onda estacionaria (técnicamente, un solitón) que aumenta su frecuencia cerca del núcleo galáctico. Más lejos, los patrones de interferencia complejos deberían crear áreas donde esencialmente no hay axiones y otras áreas donde están presentes al doble de la densidad promedio.