Si la materia oscura es un nuevo tipo de partícula, ¿qué implica eso?

Tengo entendido que la materia oscura no puede ser (o al menos es muy poco probable que lo sea) una forma exótica de cualquier partícula conocida. Por otro lado, los artículos sobre aceleradores de partículas parecen decir que el Higgs es la última pieza que falta en el rompecabezas del modelo estándar.

Si se determina que la materia oscura es alguna forma de nueva partícula, ¿cuáles son las implicaciones seguras? ¿Podría tal descubrimiento "permanecer al margen" del modelo estándar o ciertamente cambiaría los cimientos?

(Perdone mi comprensión y vocabulario extremadamente simples; no dude en corregir mis errores).

La frase "física más allá del modelo estándar" aparece en la mayoría de las justificaciones para hacer física de partículas en la frontera de energía o intensidad.

Respuestas (2)

La sabiduría convencional sobre la materia oscura es que es probable que sea un nuevo tipo de partícula que no sea parte del modelo estándar. Básicamente, la razón de esto es que la mayoría de las partículas estables del modelo estándar interactúan electromagnéticamente (y por lo tanto no serían "oscuras").

La excepción son los neutrinos, y durante mucho tiempo se consideró que la materia oscura de neutrinos era una posibilidad viable, pero no parece funcionar por varias razones. La principal es que la materia oscura de neutrinos estaría "caliente" (lo que significa que las partículas habrían tenido velocidades relativistas en un pasado no muy lejano), mientras que la forma en que se observa que la materia oscura se agrupa gravitacionalmente solo parece funcionar si la oscuridad la materia es "fría".

Durante bastante tiempo, la gente trató de idear modelos en los que la materia oscura fuera materia ordinaria (hecha de átomos), pero eso tampoco parece funcionar por varias razones. En un Universo con una densidad lo suficientemente alta de materia atómica, la abundancia de elementos ligeros producidos en el Universo primitivo sería bastante diferente de lo que se ve. No hay una buena manera de hacer que este tipo de materia sea "lo suficientemente oscura": incluso si la haces fría y neutral, aún interactúa con la radiación con demasiada fuerza como para permanecer oculta. Además, un Universo hecho solo de materia atómica predice un espectro de fluctuaciones en el fondo de microondas y un montón de otros observables cosmológicos, que difieren en gran medida de lo que observamos.

Entonces, la teoría principal es que la materia oscura es un tipo diferente de partícula estable, neutra y de interacción débil. Tal partícula estaría necesariamente "más allá del modelo estándar".

Probablemente la posibilidad menos exótica es que sea una partícula supersimétrica. Si la supersimetría es correcta, hay muchas partículas nuevas esperando a ser descubiertas. La mayoría de ellos son inestables, pero el más ligero es estable y sería un excelente candidato a materia oscura.

Si la supersimetría es correcta, es muy probable que el LHC la detecte, por lo que es posible que sepamos la respuesta a esto en un futuro no muy lejano. Por otra parte, es posible que no.

Entonces, ¿no existen los neutrinos "fríos"? ¿Ni siquiera si son frenados por un gran campo gravitatorio? ¿Me podrías explicar esto por favor? Es algo que siempre me he preguntado.
En los primeros tiempos, los neutrinos habrían alcanzado el equilibrio térmico con el resto de la materia del Universo, lo que significa que habrían tenido una temperatura bastante alta. Una vez que conoces la temperatura, puedes calcular la energía cinética promedio de cada neutrino. El neutrino es relativista si la energía cinética es comparable a la energía en reposo metro C 2 .
¿Experimentarían estos neutrinos, como restos del universo primitivo, un corrimiento al rojo como el CMB? Y al ser partículas con masa, ¿no resultaría esto en velocidades más pequeñas? ¿O es que la masa en reposo es tan pequeña que incluso energías cinéticas relativamente pequeñas dan como resultado neutrinos relativistas?
@ jaskey13: la masa en reposo del neutrino es algo así como 3 eV. Para poner eso en contexto, la energía requerida para la transición de un electrón desde el estado fundamental del átomo de hidrógeno a su primer estado excitado es de 10,2 eV. La masa en reposo del electrón es 5,1 × 10 5 eV. Entonces, sí, la masa restante de los neutrinos es muy, muy pequeña, y no se necesita mucho para hacerlos ultra-relativistas. Pero sí, se esperaría que se desplazaran hacia el rojo con el CMB. Estarían demasiado calientes. Ahora, si quieres hablar de neutrinos estériles, todavía son viables: en.wikipedia.org/wiki/Sterile_neutrino
Así es: los neutrinos se desplazan hacia el rojo con la expansión, pero su masa en reposo es lo suficientemente baja como para que sigan siendo relativistas hasta los últimos tiempos. No necesariamente hasta el presente, pero lo suficientemente tarde como para causar problemas con el agrupamiento gravitatorio.

Permítanme abordar esta parte de la pregunta, ya que la parte de física está cubierta por Ted Bunn.

Si se determina que la materia oscura es alguna forma de nueva partícula, ¿cuáles son las implicaciones seguras? ¿Podría tal descubrimiento "permanecer al margen" del modelo estándar o ciertamente cambiaría los cimientos?

Hasta ahora, el progreso en la comprensión de la física de partículas no se ha dado por descartar por completo las teorías anteriores, sino por asimilarlas. La razón es que las teorías anteriores, como lo será también el modelo estándar en el futuro, se basaban en datos sólidos. Estar basado en datos significa que son solo una forma abreviada de describirlos. Los datos antiguos aún existen cuando aparecen nuevos datos, como el ejemplo de la materia oscura, por lo que lo que sucederá es que el modelo estándar se incorporará en cualquier nueva teoría que describa la materia en el microcosmos.

Las teorías de cuerdas ya incluyen el modelo estándar dentro de su estructura, por lo que no se producirá un "marcharse a un lado" si se encuentran suficientes para describir todos los datos nuevos. Las teorías de cuerdas tienen una plétora de formas de materia que bien podrían explicar/describir la materia oscura.

Si la materia oscura es un nuevo tipo de partícula, ¿qué implica eso?
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