¿Qué da masa a las partículas de materia oscura?

Asumiendo que la materia oscura no está hecha de WIMPs (partículas masivas que interactúan débilmente), sino que interactúa solo gravitacionalmente, ¿cuál sería el posible mecanismo que da masa a las partículas de materia oscura? Si no interactúan débilmente, no podrían obtener masa interactuando con el campo de Higgs. La energía de las interacciones gravitatorias por sí sola no parece ser suficiente para explicar una gran masa de partículas. ¿Implicaría esto que la materia oscura consiste en un gran número de partículas con una masa muy pequeña, quizás mucho más pequeña que la de los neutrinos? ¿O necesitamos la gravedad cuántica para explicar el origen de la masa de la materia oscura?

has leído esto en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter . Hay varias propuestas, es una pregunta de investigación abierta en muchos niveles.
@annav Lo tengo, pero el artículo no aborda mis preguntas específicas.
Está el mecanismo MOND, está la hipótesis de los agujeros negros... quedan fuera las masas pequeñas, como están fuera los neutrinos, no son lo suficientemente masivos. Primero hay que elegir el modelo y luego ver si son partículas y sus masas.
No toda la masa proviene de la interacción de Higgs: el Higgs no es una explicación de la masa en general , es solo una explicación de la masa del electrón (y algunas otras partículas). Cada interacción puede dar lugar a masa (o disminuirla), y las partículas fundamentales también pueden ser masivas. Y la interacción involucrada (si la hay) podría ser completamente inobservable para nosotros, de manera consistente con el modelo estándar, excepto a través de la gravedad, si no hay una cadena de interacciones entre las partículas y "nuestra" materia. Y esa no es la posibilidad más extraña (aunque ya es extremadamente especulativa).
@annav ¿Por qué están fuera las pequeñas masas? ¿No podría la DM consistir en miles de millones de partículas más pequeñas que los neutrinos e interactuar solo gravitacionalmente?
@Luaan Todas las partículas masivas en SM interactúan con el campo de Higgs. (Excepto por los neutrinos, que no son masivos en SM). El campo de Higgs no es responsable de toda la masa, ese no es el punto. El punto es que el campo de Higgs es responsable de que una partícula sea masiva, tenga una masa en reposo. La energía es responsable de toda la masa. La interacción de Higgs define si esta energía está localizada (pertenece a una partícula masiva que puede descansar) o no (pertenece a una partícula sin masa que se mueve con la velocidad de la luz como glúteos). Gracias por sus comentarios, pero no parecen ayudar con la pregunta que hice.
Las oscilaciones de neutrinos muestran que los neutrinos tienen masa. el SM se extiende a eso. Ha habido cálculos sobre si los neutrinos podrían ser los candidatos a la masa oscura, y sus masas son demasiado pequeñas para un modelo viable de crear suficientes después del período de inflación. (por eso los neutralinos son candidatos) Un nuevo modelo tiene que partir de los existentes. Decir muchas partículas no es suficiente.
Pero esa es exactamente la cosa: la forma en que el campo de Higgs da una masa de electrones es exactamente la misma que, por ejemplo, la forma en que el protón obtiene (la mayor parte) de su masa de la fuerza nuclear fuerte (aunque ese es solo un modelo). La única diferencia real es que solo el campo de Higgs tiene un valor promedio distinto de cero en nuestro universo (por ejemplo, el campo fuerte es distinto de cero en promedio "dentro" de un protón, pero no en el universo como un todo) - si no 't, los bosones de Higgs serían las únicas partículas "fundamentales" masivas (y los electrones, etc. no tendrían menos masa, simplemente no existirían en absoluto).
Y no veo cómo no ayuda con su pregunta: el origen de la masa en partículas de materia oscura (si son partículas fundamentales) puede estar en una interacción que no podemos observar directamente en absoluto, si no No interactuamos de ninguna manera con nuestra materia (excepto por la gravedad). Si descubrimos que la materia oscura no interactúa débilmente, sería una evidencia bastante interesante de otras interacciones que son completamente invisibles para nosotros, excepto por su masa. Eso está permitido por nuestros modelos QFT: es prácticamente imposible sondear en detalle.

Respuestas (3)

Creo que esta pregunta contiene un concepto erróneo desafortunadamente causado por las descripciones de la ciencia popular del Modelo Estándar.

La pregunta parece asumir que debe haber alguna fuente concreta de la que las partículas "obtengan" masa, como si la masa fuera un recurso como el dinero y el campo de Higgs lo estuviera dando. Pero eso no está bien. En una teoría de campo genérica no hay problema al agregar un nuevo campo ψ cuyas partículas tienen masa. Lo único que tienes que hacer es asegurarte de que el Lagrangiano tenga un término proporcional a ψ 2 .

Podría protestar que esto viola la conservación de la energía porque la masa tiene que "venir" de alguna parte, pero eso no es correcto. La masa es el precio de la energía para crear una partícula. No creo dinero cambiando la etiqueta de precio de un artículo en una tienda.

La razón por la que los divulgadores de la ciencia dicen que la masa debe provenir del mecanismo de Higgs se debe a una peculiaridad del Modelo Estándar (SM). Las simetrías del SM prohíben un término como ψ 2 para cualquier campo ψ en el SM, por lo que necesitamos un truco para obtener un término de masa. En resumen, el campo de Higgs ϕ nos permite escribir términos como ϕ ψ 2 que respetan la simetría. Este es un término de interacción, pero podemos configurar el Lagrangiano para que el campo de Higgs ϕ adquiere una parte constante, dando la ψ 2 término masivo que queríamos.

Sin embargo, una vez que comienzas a especular sobre los modelos de materia oscura, especialmente la materia oscura que no interactúa en absoluto con la fuerza electrodébil, estas restricciones no se aplican y, en general, no hay nada que prohíba una ψ 2 término. No hay necesidad de ningún mecanismo especial para "dar" masa. Simplemente tratas la masa exactamente como lo hacías en la escuela secundaria, la introducción a la mecánica y la mecánica cuántica: escríbelo, llámalo metro y llámalo un día.

Creo que esta respuesta contiene un concepto erróneo desafortunadamente causado por una confusión popular entre física y matemáticas. La física se basa en las matemáticas, pero es más que eso. La física es vida, tiene sentido. Se necesita intuición. Todas las partículas masivas conocidas (dejemos a un lado los misteriosos neutrinos por ahora) adquieren masa (no la cantidad, sino el hecho de tenerla) del campo de Higgs. Aparentemente, cualquier partícula conocida puede moverse en el tiempo, solo si interactúa con un campo escalar que impregna el universo. ¿Suena como una razón fundamental, una ley de la naturaleza tal vez? Entonces, ¿podemos simplemente agregar masa a mano? Claro, en el papel podemos.
@safesphere De hecho, la intuición es extremadamente importante para hacer física. Pero es importante tener la intuición arraigada en algo, como las matemáticas reales, para poder comprobarlo y corregirlo. Por ejemplo, aquí recibimos una pregunta al día de personas que rechazan la relatividad especial y se niegan a leer los argumentos que la respaldan, porque entra en conflicto con su intuición física.
@safesphere Si intenta hacer un principio general solo a partir de un ejemplo, sin saber cómo funciona el ejemplo en su totalidad, puede ser engañado. Recuerde a los cultistas de carga que pensaron que construir una pista de aterrizaje en su isla haría que los aviones aparecieran mágicamente. Es como ver un programa Java y pensar que todos los programas del mundo deben contener "public static void main(String[] args)".
@safesphere Quiero decir, no estoy en desacuerdo con que el mecanismo de Higgs es una forma muy común e importante de terminar con partículas con masa. Pero puedo pensar en varios candidatos a materia oscura que no obtienen masa del Higgs de mi cabeza. E incluso para los que obtienen masa de un mecanismo de Higgs, a menudo es un campo de Higgs diferente al del SM.

Hay varias formas en que la materia oscura podría adquirir masa que no tienen nada que ver con el modelo estándar de fuerza débil. Por ejemplo, hay teorías que involucran un sector oculto: partículas que no interactúan en absoluto con los bosones de calibre del modelo estándar, pero tienen sus propias interacciones.

Tenga en cuenta que el mecanismo de Higgs no es necesario para toda la generación de masa en el modelo estándar. Los bosones de calibre masivos adquieren su masa a través del mecanismo de Higgs, pero existen modelos donde las masas fermiónicas se adquieren a través de diferentes mecanismos. Se desconoce la fuente de masa de los neutrinos en particular.

Sin saber qué es la materia oscura, por supuesto, es imposible determinar cómo adquiere masa.

Si no tiene interacciones en absoluto, no hay necesidad de un mecanismo para adquirir masa. Los términos de masa explícitos en el modelo estándar Lagrangiano son solo un problema porque rompen la simetría de calibre. Si un campo no se acopla a los campos de calibre, sus términos de masa no rompen la simetría de calibre, y la masa simplemente se puede agregar al Lagrangiano a mano.

Mi pregunta es específicamente sobre la materia oscura que interactúa solo gravitacionalmente. Por lo tanto, el sector oculto y todas las demás interacciones quedan excluidas. Lo siento, pero parece que estás respondiendo una pregunta más genérica que la mía. No hay formas conocidas en el modelo estándar que yo sepa para que solo la materia oscura interactúe gravitacionalmente para adquirir masa.
@safesphere Si no tiene interacciones en absoluto, no hay contradicciones para simplemente darle una masa "a mano" en el Lagrangiano, ya que no interactúa con ningún campo de calibre y, por lo tanto, un término de masa no rompe la simetría de calibre.
@safesphere El modelo estándar no es una descripción completa del universo. Simplemente describe todas las interacciones (no gravitacionales) entre los campos/partículas cuánticas que ves a tu alrededor. Si la materia oscura no interactúa con esos campos/partículas, no tiene nada que ver con el Modelo Estándar. La razón por la que el electrón requiere (algo así como) el campo de Higgs dentro de SM es que interactúa débilmente, y la interacción débil rompe algunas simetrías bastante importantes. Si "quitas" el Higgs, obtienes dos campos de "electrones", uno de los cuales interactúa débilmente y el otro no.
@safesphere Si desea una imagen rápida de cómo se verían las interacciones y las partículas si el valor promedio del campo de Higgs fuera cero (se cree que ocurre a energías extremadamente altas, posiblemente durante los primeros tiempos de nuestro universo), profmattstrassler .com/articles-and-posts/… es un gran resumen. El sitio también tiene muchas explicaciones más profundas (aunque aún muy simples) sobre el modelo estándar y la física cuántica en general.
@Chris Un misterio de la naturaleza es la existencia de partículas masivas y sin masa. QFT funciona más fácilmente sin masa, pero necesita una razón para la masa. Se siente que esta razón debe ser fundamental. Por ejemplo, la existencia de un campo escalar en el universo que cambia la naturaleza de la mayoría de las partículas, pero no de todas. Nos guste o no, pero suena fundamental. Ahora, ¿agregar masa a mano? Eh... Técnicamente podría funcionar. No estoy seguro de la cantidad de información que traería. Y si llega la gravedad cuántica, ¿sería una teoría de calibre con una simetría rota por la masa hecha a mano?
@safesphere Una partícula sin interacciones es al menos igual de antinatural, y si postula que una partícula no tiene interacciones, poner la masa a mano es la única forma de que tenga masa. En cuanto a la gravedad cuántica, la única respuesta honesta es "nadie lo sabe". Además, aparte, no diría que QFT funciona más fácilmente para partículas sin masa. Las partículas adquieren masa naturalmente en un QFT. Solo puede tener partículas sin masa si hay alguna simetría ininterrumpida que proteja la falta de masa de la partícula.
@safesphere QFT no necesita una razón para la masa. Solo los campos que conocemos requieren "una razón" para su masa (y eso es solo debido a la interacción débil), pero una partícula masiva que no tiene interacciones con "nuestra" materia (o incluso con cualquier otro campo) es perfectamente consistente dentro de QFT . Por supuesto, ser consistente no significa que sea realmente físico, pero si resulta que la materia oscura no interactúa débilmente, sería una evidencia de campos que son completamente invisibles para nosotros (excepto la gravedad). Y no olvidemos que el bosón de Higgs es masivo "sin razón".

De: " A White Paper on keV Sterile Neutrino Dark Matter " (9 de febrero de 2017), por más de 130 autores:

Resumen ejecutivo

A pesar de décadas de búsqueda, la naturaleza y el origen de la Materia Oscura (DM) sigue siendo uno de los mayores misterios de la física moderna. Las observaciones astrofísicas en una amplia gama de escalas físicas y épocas muestran claramente que el movimiento de los cuerpos celestes, la distorsión gravitatoria de la luz y la formación de estructuras en el Universo no pueden explicarse por las leyes conocidas de la gravedad y la distribución de la materia observada. [ 1 – 7 ] .

Sin embargo, se pueden poner en muy buen acuerdo si se postula la presencia de grandes cantidades de DM no luminoso en y entre las galaxias, una sustancia que es mucho más abundante en el Universo que la materia ordinaria. [ 1 ] . Ideas genéricas de lo que podría estar detrás de DM, como Massive Compact Halo Objects (MACHO) [ 8 – 11 ] se descartan en gran medida [ 12 , 13 ] o al menos desfavorecido [ 14 , 15 ] . Explicaciones alternativas basadas en una modificación de la ley de la gravedad [ dieciséis ] no han sido capaces de igualar las observaciones en varias escalas diferentes . Así, la existencia de una o varias partículas elementales nuevas parece ser la explicación más atractiva .

Como primer paso, se ha examinado la idoneidad de las partículas conocidas dentro del modelo estándar (SM) bien probado. De hecho, el neutrino masivo neutral, de interacción débil, podría en principio ser un candidato de DM. Sin embargo, los neutrinos son tan ligeros que incluso con el límite superior de su masa [ 17 , 18 ] no pudieron compensar toda la densidad de energía de DM [ 19 ] . Además, los neutrinos se producen con velocidades (relativistas) tan grandes que actuarían como DM caliente (HDM), evitando la formación de estructuras como galaxias o cúmulos de galaxias. [ 20 ] .

En consecuencia, explicar DM en términos de una nueva partícula elemental requiere claramente física más allá de SM . Hay múltiples extensiones sugeridas para el SM, que brindan una variedad de candidatos adecuados para DM, pero hasta la fecha no hay evidencia clara que nos diga cuál de estos es el correcto".

...

Referencias:

  1. Colaboración de Planck, PAR Ade et al., resultados de Planck 2015. XIII. Parámetros cosmológicos, Astron. Astrofias. 594 (2016) A13, [1502.01589].
  2. M. Persic, P. Salucci y F. Stel, La curva de rotación universal de las galaxias espirales: 1. La conexión de la materia oscura, Mon. No. Roy. Astron. Soc. 281 (1996) 27, [astro-ph/9506004].
  3. SM Faber y RE Jackson, Dispersiones de velocidad y relaciones de masa a luz para galaxias elípticas, Astrophys. J. 204 (1976) 668.
  4. N. Kaiser y G. Squires, Cartografía de la materia oscura con lentes gravitacionales débiles, Astrophys. J. 404 (1993) 441–450.
  5. D. Clowe, A. Gonzalez y M. Markevitch, reconstrucción masiva de lente débil del grupo interactivo 1E0657-558: evidencia directa de la existencia de materia oscura, Astrophys. J. 604 (2004) 596–603, [astro-ph/0312273].
  6. WJ Percival, S. Cole, DJ Eisenstein, RC Nichol, JA Peacock, AC Pope et al., Medición de la escala de oscilación acústica de Baryon usando SDSS y 2dFGRS, Mon. No. Roy. Astron. Soc. 381 (2007) 1053–1066, [0705.3323].
  7. R. Dave, L. Hernquist, N. Katz y DH Weinberg, El bosque alfa de Lyman de desplazamiento al rojo bajo en cosmologías de materia oscura fría, Astrophys. J. 511 (1999) 521–545, [astro-ph/9807177].
  8. B. Paczynski, Microlente gravitacional por el halo galáctico, Astrophys. J. 304 (1986) 1–5.
  9. K. Griest, Microlente galáctica como método para detectar objetos de halo compactos masivos, Astrophys. J. 366 (1991) 412–421.
  10. Colaboración EROS, T. Lasserre, No bastan los machos de masa estelar en el halo galáctico, Astron. Astrofias. 355 (2000) L39–L42, [astro-ph/0002253].
  11. DP Bennett, Profundidad óptica de microlente de la Gran Nube de Magallanes con selección de eventos imperfecta, Astrophys. J. 633 (2005) 906–913, [astro-ph/0502354].

...

  1. K. Griest, AM Cieplak y MJ Lehner, Nuevos límites sobre la materia oscura del agujero negro primordial a partir de un análisis de los datos de microlente de la fuente Kepler, Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 181302.
  2. P. Pani y A. Loeb, Captura de marea de un agujero negro primordial por una estrella de neutrones: implicaciones para las restricciones sobre la materia oscura, JCAP 1406 (2014) 026, [1401.3025].
  3. M. Milgrom, Una modificación de la dinámica newtoniana como posible alternativa a la hipótesis de la masa oculta, Astrophys. J. 270 (1983) 365–370.
  4. C. Kraus et al., Resultados finales de la fase II de la búsqueda de masas de neutrinos de Mainz en la desintegración beta del tritio, Eur. física J. C40 (2005) 447–468, [hep-ex/0412056].
  5. VM Lobashev et al., Búsqueda directa de masa de neutrino y anomalía en el espectro de tritio beta, Phys. Letón. B460 (1999) 227–235.
  6. EW Kolb y MS Turner, The Early Universe, Front. física 69 (1990) 1–547.
  7. SDM White, CS Frenk y M. Davis, Agrupación en un universo dominado por neutrinos, Astrophys. J. 274 (1983) L1–L5.

Ver también: " La masa de la partícula de materia oscura a partir de la teoría y las observaciones " (10 de abril de 2012), por de Vega, Salucci y Sánchez, en la página 12:

9. Conclusiones

La materia oscura se caracteriza por dos cantidades básicas: la masa de partículas DM metro y el número de grados de libertad ultrarrelativistas en el desacoplamiento gramo d (o, alternativamente, la temperatura de desacoplamiento T d ). Obtenemos los perfiles de densidad y las relaciones teóricas entre metro y gramo d involucrando las densidades observables...

A partir de los valores observados de la densidad superficial, presentamos aquí una clara evidencia de que la masa de la partícula de DM es de aproximadamente uno o dos keV. ".

¿Solo 130 autores? Es una pena. El documento de interacción fotón-fotón tenía mucho más;) - nature.com/nphys/journal/v13/n9/full/nphys4208.html#group-1
@safesphere: supongo que están de acuerdo con el "resumen ejecutivo", no estaría en posición de estar en desacuerdo con sus hallazgos. Me gusta poner la fecha y los autores después del enlace pero en ese caso el número de autores (contados solo una vez) tendrá que ser suficiente. El enlace que proporcionó claramente tiene más autores, no me gustaría contarlos a todos. 🤯 - Espero que la respuesta le proporcione lo que actualmente se cree que es la respuesta a su pregunta y la masa de la(s) partícula(s) de DM. Hay muchos documentos vinculados, al consultar 'citado por' encontrará la información más reciente. Gracias por leer.
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