La materia oscura, que constituye la mayor parte de la materia en el universo, no es fácil de ver. Ella es oscura Y, sin embargo, hay una manera por la cual la materia oscura (TM) puede, en cierto sentido, brillar.
¿Y cómo es él? Si un HM consiste en partículas que son antipartículas en sí mismas (como es el caso de los fotones, las partículas Z y las partículas de Higgs, y probablemente los neutrinos), entonces es posible que dos partículas HM se encuentren y se aniquilen (como pueden aniquilar un electrón con un positrón, o dos fotones), convirtiéndose en algo más que probablemente podamos detectar, por ejemplo, en dos fotones, o cualquier otra partícula y su antipartícula. Si somos capaces de detectar este efecto depende de muchas cosas desconocidas para nosotros. Pero no hay nada de malo en buscar este fenómeno, y hay una muy buena razón para intentarlo.
¿Cómo esperamos encontrarlo?
Fig. 1Primero tenemos que mirar el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Del mismo modo que es probable que se vea un accidente en el tráfico pesado en la hora pico, las colisiones de partículas de materia oscura pueden observarse donde su densidad es mayor. Y el más grande está en los centros de las galaxias. La razón es que (ver Fig. 1) se forman grandes trozos de materia oscura alrededor de galaxias y estrellas; de hecho, la mayor parte de la masa de la Vía Láctea es materia oscura distribuida sobre una esfera rugosa, aunque su estructura exacta es desconocida y probablemente bastante complicado Las estrellas y las grandes nubes atómicas a partir de las cuales se forman forman un disco giratorio con brazos espirales ubicados dentro de esta gran esfera y que tienen una bola de estrellas (
abultamiento ) en el centro. Es probable que las estrellas en el disco y la protuberancia se acumulen en lugares de la mayor concentración de HM. Entonces, las colisiones y la posterior aniquilación, que conducen a la aparición de partículas que somos potencialmente capaces de detectar, pueden ocurrir cerca del centro de la galaxia, por lo que necesitamos desarrollar herramientas científicas que puedan mirar en esta dirección y buscar indicios de que tal aniquilación ocurra.
Desafortunadamente, las sugerencias no son tan fáciles de obtener, ya que no hay muchos tipos de partículas conocidas que, cuando se crean en la aniquilación de la materia oscura cerca del centro de la Galaxia, pueden llegar a la Tierra. Las únicas partículas lo suficientemente largas que pueden alcanzar la Tierra son los electrones, los antielectrones (positrones), los protones, los antiprotones, varios otros núcleos atómicos estables (helio), neutrinos, antineutrinos y fotones. Pero los neutrinos (y antineutrinos) son extremadamente difíciles de detectar, y casi todas las demás partículas tienen una carga eléctrica, por lo que sus caminos están curvados y retorcidos en el campo magnético de la Galaxia, por lo que nunca llegan a la Tierra. También asegura que si vinieran a nosotros, no podríamos decir si vinieron del centro de la Galaxia o no. Los fotones permanecen como las únicas partículas que, en primer lugar, pueden moverse directamente desde el centro de la galaxia a la Tierra, y en segundo lugar, se detectan fácilmente.
Fig. 2Los fotones inusuales de alta energía que provienen del centro de la Galaxia, y más en casi ninguna parte, pueden dar una buena pista de aniquilación de TM (Fig. 2).
Sin embargo, esta estrategia tiene muchos obstáculos. En el centro de la galaxia, también se recogen muchos objetos astronómicos inusuales, que también emiten fotones de alta energía. ¿Cómo distinguir entre los fotones que emanan de la aniquilación TM y los fotones que emanan de una clase desconocida de procesos estelares que pueden ser más comunes en el centro de la galaxia que en cualquier otro lugar?
Respuesta: no es fácil, excepto por un caso especial. Si las partículas TM (que tienen una cierta masa, por ejemplo, M) a veces pueden aniquilarse, girando exactamente dos fotones, entonces para ambos fotones la energía de movimiento será (con muy buena precisión) la energía de masa Mc
2 de las partículas de materia oscura. La razón es simple: se describe en un
artículo sobre la aniquilación de partículas y antipartículas y se muestra en la Fig. 3)
Fig. 3Si la partícula y la antipartícula están prácticamente en reposo, entonces la energía de cada una de ellas está casi completamente contenida en la masa y es casi exactamente igual a Mc
2 . Los pulsos de ambos son casi cero. La energía y el impulso se conservan, por lo que la energía total es aproximadamente igual a 2 Mc
2 antes y después de la aniquilación. Cuando una partícula y antipartícula se convierten en otra partícula y antipartícula, las energías de ambos serán iguales a Mc
2 . Por lo general, será una mezcla de energía de masa y energía de movimiento. En el caso en que la partícula final y la antipartícula resulten ser fotones sin masa y, en consecuencia, energía de masa, toda su energía será la energía del movimiento.
No sabemos la masa M de la partícula TM, y no sabemos la energía de los fotones resultantes. Pero dado que la masa es la misma para todos los electrones y la masa es la misma para todos los protones, y la masa para todas las partículas TM es la misma, cada aniquilación TM dará como resultado la aparición de dos fotones con una energía casi igual a Mc
2 . Y esto significa que si usamos un telescopio especial para medir fotones de alta energía que emanan de un área cercana al centro de la galaxia y construimos un gráfico del número de fotones de su energía, deberíamos esperar que muchos procesos astrofísicos crearán muchos fotones con diferentes energías que se formarán un fondo liso, pero los procesos que ocurren con HM agregarán un montón de fotones de la misma energía, una explosión que se eleva por encima del fondo (ver Fig. 4). Es casi imposible imaginar un objeto astronómico, una estrella extraña, que sea lo suficientemente simple como para crear una explosión de este tipo; por lo tanto, una señal en forma de explosión estrecha será una clara evidencia del proceso de aniquilación de pares de partículas de TM.
Fig. 4 4Y esta es una forma muy poderosa de buscar TM. No funcionará si las partículas TM no son antipartículas por sí mismas y no pueden aniquilarse. No funcionará si las partículas TM no producen fotones muy frecuentemente tras la aniquilación. Pero puede funcionar. Y ya hay intentos, el más interesante es el uso
del telescopio espacial de rayos gamma Fermi , un experimento con un satélite trabajando en el espacio y midiendo fotones provenientes de todo el cielo, incluidos los que provienen del centro de la Galaxia.