Si la materia oscura forma halos alrededor de las galaxias, debe tener una masa invariable. En el Modelo Estándar, las partículas elementales adquieren masa generalmente a través de interacciones débiles con el campo de Higgs. ¿Significa esto que la materia oscura debe interactuar débilmente? ¿Cuáles son los posibles mecanismos alternativos de las partículas de materia oscura para adquirir masa invariable?
Primero, me gustaría corregir un punto de su pregunta: las partículas del modelo estándar (SM) no adquieren masa a través de una interacción débil con el campo de Higgs. Haces la confusión muy común entre el campo de Higgs y el bosón de Higgs. Pero esto es solo tangencial a su pregunta y no daré más detalles al respecto.
Así que a tu pregunta. En resumen, después de lo cual explicaré, necesitamos el mecanismo de Higgs porque las partículas SM están sujetas a la interacción electrodébil. Dado que, hasta donde sabemos, las partículas de materia oscura pueden no interactuar con partículas SM o con partículas de materia oscura (consulte esta respuesta mía para resaltar las evidencias experimentales de que la materia oscura se comporta como un polvo de partículas que no interactúan), hay en realidad no es necesario el mecanismo de Higgs y bien podríamos optar por la solución más simple de simplemente cablear la masa directamente en la teoría.
El mecanismo más simple para dar una masa a una partícula es simplemente conectar esa masa directamente a la teoría: técnicamente solo agregamos lo que se llama un término de masa al Lagrangiano. Eso funciona bien para Quantum Electrodynamics (QED), por ejemplo. Como seguramente sabrás, la QED se llama teoría de calibre, porque tiene una simetría interna, llamada simetría de calibre, que es , ya que consiste en multiplicar el campo de electrones por un número complejo de módulo 1, es decir, añadir una fase a ese campo, mientras se quita la derivada de esa fase del campo electromagnético. El punto esencial es que el término de masa del electrón, que es conceptualmente como el campo de electrones multiplicado por su conjugado complejo, es invariante bajo esa simetría de calibre. Así que todo está bien y podemos dejarlo así. Esto explica por qué QED vivió felizmente durante los años 50 y 60 sin necesidad de un mecanismo de Higgs. Sin embargo, tenga en cuenta que un término de masa para el fotón no sería invariante de calibre, por lo que QED solo funciona con fotón sin masa y, nuevamente, está bien porque encaja muy bien con los resultados experimentales.
Sobre la teoría electrodébil. Como seguramente habrás escuchado, esta también es una teoría de calibre, respondiendo al dulce nombre de porque transformamos algunos componentes de los campos con matrices unitarias y multiplica otras con un complejo de módulo 1. El problema ahora es que un término de masa de fermión no es invariante de calibre: esta respuesta en este mismo sitio puede ser legible sin demasiados antecedentes formales. Esto no puede ser correcto: sabemos que los electrones tienen una masa. Además, en cuanto a QED, cualquier término de masa para los nuevos bosones y también está prohibido. Eso tampoco puede ser correcto porque los resultados experimentales requieren y tener masas del orden de 100 GeV: eso lo sabíamos antes de que se descubrieran, quiero decir. La solución a este enigma es el mecanismo de Higgs: salva el día de la teoría electrodébil al dar masas a algunos de los fermiones, a , a pero no al fotón.
Ahora que pasa con podría suceder con otras teorías de calibre retorcidas de manera similar, y si asume una de esas para sus partículas de materia oscura, entonces, de hecho, un mecanismo de Higgs sería la forma más simple de obtener partículas masivas. Pero este es un gran "si", como ya debería poder entender. En primer lugar, no hay ninguna razón a priori para postular una teoría de gauge que rompa los términos de masa. Si las partículas de materia oscura interactúan, esto podría ser a través de teorías como QED con una nueva carga eléctrica oscura. Pero es posible que en realidad no interactúen en absoluto y, hasta ahora, las evidencias experimentales se inclinan en esa dirección.
Este es el punto en el que debería comenzar a hablar sobre la supersimetría (SUSY), ya que las partículas supersimétricas han sido consideradas como algunas de las mejores candidatas para la materia oscura durante mucho tiempo, y luego eso me llevaría a discutir cómo las partículas supersimétricas obtienen su masa. , pero esa respuesta ya es lo suficientemente larga. ¡No dude en hacer otra pregunta al respecto, ya que hay muchos aficionados a SUSY en estas aguas!