Sobre la Materia Oscura Dark Matter Dark Energy

Un polémico estudia basado en el movimiento de estrellas relativamente cercanas apunta a que la materia oscura no está presente en nuestra galaxia.

El problema de la materia oscura parece que sólo da quebraderos de cabeza. Cuando parece que las piezas pueden encajar, finalmente hay alguna que no lo hace.
La materia oscura es un componente principal de la Cosmología y Astrofísica. En el primer caso los modelos cosmológicos de evolución galáctica están basados en esta materia oscura que no emite ni bloquea luz. Como se supone que constituye el 85% de la materia total los modelos se basan en esta materia y su agregación produce grumos sobre los que se acumula la materia ordinaria que finalmente dan lugar a las galaxias. Digamos que la materia oscura sirve de andamiaje a la materia ordinaria para que forme galaxias y estrellas. El modelo estándar cosmológico que usa esta idea es capaz de reproducir en simulaciones computacionales el tipo de estructura a gran escala del Universo que vemos.

Toda galaxia parece tener un halo de materia oscura que es invisible a nuestros instrumentos, pero que se puede inferir mediante ciertas mediciones. La manera tradicional de inferir la presencia de materia oscura es ver su efecto gravitatorio. Las galaxias espirales giran sobre si mismas. Las estrellas que las componen orbitan alrededor del centro galáctico con una velocidad que depende de la distancia. Esto se puede medir fácilmente y se comprueba que la velocidad de giro no se corresponde con la que habría si sólo existiera la materia que se ve, pero si se correspondería si además hubiese una materia que no vemos.
Otra manera de inferir la presencia de materia oscura es observar fenómenos de lente gravitatoria en cúmulos galácticos lejanos. Esto también permite inferir una masa mayor que la masa correspondiente a la materia que se ve.

Lo malo de la materia oscura es que todavía no se han encontrado pruebas directas irrefutables que indiquen la existencia de las partículas que la componen.
Bajo esta situación es cuando sale un trabajo de astrofísicos del ESO. Han estudiado el movimiento de 400 estrellas situadas hasta a una distancia de 13.000 años luz de nosotros por encima del plano galáctico y en un cono de 15 grados. Esto les ha permitido calcular las influencias a gravitatorias a las que están sometidas. Es un volumen cuatro veces mayor que el estudiado hasta el momento en este tipo de investigación.
El estudio les ha posibilitado inferir la presencia de materia oscura, pues lo modelos predicen que debe haber materia oscura en esta zona de la Vía Láctea. Para hacernos una idea de la distancia mencionemos que estamos a 27.000 años luz del centro galáctico.
En este estudio se considera a las estrellas estudiadas como si fueran “átomos” atrapados en el pozo gravitatorio de la galaxia. Midiendo sus velocidades en las tres dimensiones del espacio se puede deducir la forma pozo y la cantidad de masa, tanto ordinaria como oscura. Restando la masa que vemos nos quedaría la oscura.
Pues bien, resulta que no han encontrado pruebas de la existencia de dicha materia oscura. No es que no se sepa de qué está hecha, es que no parece que exista, al menos en esa parte de la galaxia y según este estudio. No es fácil explicar la presencia de dicha materia en todas esas partes antes mencionadas y no en nuestra galaxia.
La masa que infieren del movimiento de estas estrellas se puede explicar con la presencia de la materia ordinaria que vemos.
Pero los modelos de formación y rotación galáctica indican que nuestra galaxia debe tener un halo de materia oscura. Incluso se puede predecir la forma de dicho halo y predicen que debe haber dicha materia en la región en la que se encuentra el Sistema Solar. Sólo formas del halo muy improbables podrían explicar la ausencia de materia oscura en nuestro vecindario. Una posibilidad es que la materia oscura de nuestra galaxia forme un halo en forma de cigarro puro que atraviese su centro y no sea una esfera que la envuelva.

Pero a pesar de este resultado, la Vía Láctea gira más rápido de lo que lo haría si no hubiese materia oscura (como las demás galaxias espirales). De hecho, basta que se considere solamente el movimiento del Sol alrededor del centro galáctico para comprobar este punto. Así que hay que buscar una solución a por qué no se detecta materia oscura en este estudio.
La futura misión Gaia de la ESA permitirá tomar más medidas y asegurarse sobre este punto.
Algunos científicos dudan de la fiabilidad del método empleado por estos investigadores, pero si se confirma sería un grave problema para el modelo de materia oscura.
Estrictamente, el resultado no niega la existencia de materia oscura, sino que niega su presencia en nuestro vecindario galáctico.
Una posible explicación es que la materia oscura no esté compuesta por partículas “frías” que se muevan lentamente, sino por partículas calientes ligeras de “movimiento” rápido que formarían un halo más grande y uniforme. Pero este tipo de materia oscura entra en contradicción con los modelos cosmológicos estándar.
Otra explicación (como sugiere Pavel Kroupa de la Universidad de Bonn) es que la materia oscura formara grumos bajo la influencia de su propia gravedad al poco de darse el Big Bang y que éstos crecieran dentro de los halos galácticos.
Quizás simplemente se sobreestime la cantidad de materia ordinaria o quizás se nos escapa algo importante sobre el Universo que todavía no comprendemos.
Muchos expertos creen que la materia oscura está ahí y que futuros análisis cuidadosos refutarán este último estudio. La polémica está servida. Los críticos apuntan a que para poder llegar a este resultado se asumen ciertas hipótesis que no tienen que cumplirse necesariamente y modelos cuyo régimen de aplicabilidad no es el adecuado.
Así por ejemplo, una de las ecuaciones usadas asume varias hipótesis razonables para la materia oscura como que esté en un estado estacionario, que la curva de rotación galáctica es plana, que la densidad de materia oscura decae exponencialmente… Al final resulta que el modelo teórico asume que en la región observada la materia oscura tiene forma esférica con densidad constante. Todo esto es razonable para la materia oscura del halo, pero no necesariamente para una región tan pequeña cerca del disco galáctico en las cercanías del Sol. En otras galaxias se ha podido inferir la distribución de materia oscura observándose que está puede estar incluso desacoplada de la materia ordinaria y alejada de una distribución ideal.
Aunque hay otros estudios que apuntan en la misma dirección que este nuevo resultado. Igor Karachentsev ha calculado que hay mucha menos materia oscura de lo que se asume basándose en el campo gravitatorio de una región de 163 millones de años luz de tamaño desde el Sol en cualquier dirección.
Por otro lado, siempre estarán los que proponen abandonar la materia oscura y modificar la ley de la gravedad. Es lo que se denomina teorías MOND. Según estas teorías, la gravedad funcionaría de distinto modo a escalas cosmológicas. Pero son teorías muy inmaduras que no convencen a la inmensa mayoría de los físicos.
En resumen, la materia oscura sigue tan oscura como siempre, tanto en sentido literal como figurado.

Fuente http://neofronteras.com/?p=3812

Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original I.
Artículo original II.
Artículo original III.

Articulo anterior en español de ESO:

¿Serio golpe a las teorías sobre materia oscura?

 

http://arxiv.org/abs/1204.3924

Download:

http://arxiv.org/abs/1204.3377

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http://arxiv.org/abs/1204.2546

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Modelo Estandar y Spersimetria

El modelo estándar de la física de partículas es una teoría que describe las relaciones entre las interacciones fundamentales conocidas entre partículas elementales que componen toda la materia. Es una teoría cuántica de campos desarrollada entre 1970 y 1973 que es consistente con la mecánica cuántica y la relatividad especial. Hasta la fecha, casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el modelo estándar están de acuerdo con sus predicciones. Sin embargo, el modelo estándar no alcanza a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales debido a que no incluye la gravedad, la cuarta interacción fundamental conocida, y debido también al número elevado de parámetros numéricos (tales como masas y constantes que se juntan) que se deben poner a mano en la teoría (en vez de derivarse a partir de primeros principios).

Actualmente en Física, la dinámica de la materia y de la energía en la naturaleza se entiende mejor en términos de cinemática e interacciones de partículas fundamentales. Hasta la fecha, la ciencia ha logrado reducir las leyes que parecen gobernar el comportamiento y la interacción de todos los tipos de materia y de energía que conocemos, a un conjunto pequeño de leyes y teorías fundamentales. Una meta importante de la física es encontrar la base común que uniría a todas éstas en una teoría del todo, en la cual todas las otras leyes que conocemos serían casos especiales, y de la cual puede derivarse el comportamiento de toda la materia y energía (idealmente a partir de primeros principios).

Dentro de esto, el modelo estándar agrupa tres teorías importantes – el modelo electrodébil y la cromodinámica cuántica- lo que proporciona una teoría internamente consistente que describe las interacciones entre todas las partículas observadas experimentalmente. Técnicamente, la teoría cuántica de campos proporciona el marco matemático para el modelo estándar. El modelo estándar describe cada tipo de partícula en términos de un campo matemático. Para una descripción técnica de los campos y de sus interacciones, ver el modelo estándar (detalles básicos).

Para facilitar la descripción, el modelo estándar se puede dividir en tres partes que son las partículas de materia, las partículas mediadoras de las fuerzas, y el bosón de Higgs.

Partículas de materiaSegún el modelo estándar toda la materia conocida está constituida de partículas que tienen una propiedad intrínseca llamada espín cuyo valor es 1/2. En los términos del modelo estándar todas las partículas de materia son fermiones. Por esta razón, siguen el principio de exclusión de Pauli de acuerdo con el teorema de la estadística del spin, y es lo que causa su calidad de materia.Colegio Aparte de sus antipartículas asociadas, el modelo estándar explica un total de doce tipos diversos de partículas de materia.La Rosa Seis de éstos se clasifican como quarks (up, down, strange, charm, top y bottom), y los otros seis como leptones (electrón, muon, tau, y sus neutrinos correspondientes).

Partículas fundamentales del Modelo Estándar

Leptones Quarks
Familias Nombre Símbolo Nombre Símbolo
1a electrón e up u
neutrino e ne down d
2a muon µ charm c
neutrino µ nµ strange s
3a tau tau top t
neutrino tau ntau bottom b

Las partículas de la materia también llevan cargas que las hacen susceptibles a las fuerzas fundamentales según lo descrito en la sección siguiente.

  • Cada quark puede llevar tres cargas de color – roja, verde o azul, permitiéndoles participar en interacciones fuertes.
  • Los quarks tipo up (up, top o charm) llevan una carga eléctrica de +2/3, y los tipo down (down, strange y bottom) llevan una carga eléctrica de -1/3, permitiendo a ambos tipos participar en interacciones electromagnéticas.
  • Los leptones no llevan ninguna carga de color – son neutros en este sentido, evitándose que participen en interacciones fuertes.
  • Los leptones tipo down (el electrón, el muon, y el lepton tau) llevan una carga eléctrica de -1, permitiéndoles participar en interacciones electromagnéticas.
  • Los leptones tipo up (los neutrinos) no llevan ninguna carga eléctrica, evitándose que participen en interacciones electromagnéticas.
  • Los quarks y los leptones llevan varias cargas de sabor, incluyendo el isospin débil, permitiendo a todas ellas interaccionar recíprocamente vía la interacción nuclear débil.

Pares de cada grupo (un quark tipo up, un quark tipo down, un lepton tipo down y su neutrino correspondiente) forman las familias. Las partículas correspondientes entre cada familia son idénticas la una a la otra, a excepción de su masa y de una característica conocida como su sabor.

Partículas mediadoras de fuerzas

Las fuerzas en la física son la forma en que las partículas interactúan recíprocamente y se influyen mutuamente. A nivel macroscópico, por ejemplo, la fuerza electromagnética permite que las partículas interactúen con campos magnéticos y por medio de ellos, y la fuerza de la gravitación permite que dos partículas con masa se atraigan una a otra de acuerdo con la ley de gravitación de Newton. El modelo estándar explica tales fuerzas como el resultado del intercambio de otras partículas por parte de las partículas de materia, conocidas como partículas mediadoras de la fuerza. Cuando se intercambia una partícula mediadora de la fuerza, a nivel macroscópico el efecto es equivalente a una fuerza que influencia a las dos, y se dice que la partícula ha mediado (es decir, ha sido el agente de) esa fuerza. Se cree que las partículas mediadoras de fuerza son la razón por la que existen las fuerzas y las interacciones entre las partículas observadas en el laboratorio y en el universo.

Las partículas mediadoras de fuerza descritas por el modelo estándar también tienen spin (al igual que las partículas de materia), pero en su caso, el valor del spin es 1, significando que todas las partículas mediadoras de fuerza son bosones. Consecuentemente, no siguen el principio de exclusión de Pauli. Los diversos tipos de partículas mediadoras de fuerza son descritas a continuación.

  • Los fotones median la fuerza electromagnética entre las partículas eléctricamente cargadas. El fotón no tiene masa y está descrito por la teoría de la electrodinámica cuántica.
  • Los bosones de gauge W+, W, y Z0 median las interacciones nucleares débiles entre las partículas de diversos sabores (todos los quarks y leptones). Son masivos, con el Z0 más masivo que el W^pm. Las interacciones débiles que implican al W^pm actúan exclusivamente en partículas zurdas y no sobre las antipartículas zurdas. Además, el W^pm lleva una carga eléctrica de +1 y -1 y participa en las interacciones electromagnéticas. El bosón eléctricamente neutro Z0 interactúa con ambas partículas y antipartículas zurdas. Estos tres bosones gauge junto con los fotones se agrupan juntos y medían colectivamente las interacciones electrodébiles.
  • Los ocho gluones median las interacciones nucleares fuertes entre las partículas cargadas con color (los quarks). Los gluones no tienen masa. La multiplicidad de los gluones se etiqueta por las combinaciones del color y de una carga de anticolor (es decir, Rojo-anti-Verde). Como el gluon tiene una carga efectiva de color, pueden interactuar entre sí mismos. Los gluones y sus interacciones se describen mediante la teoría de la cromodinámica cuántica.

Las interacciones entre todas las partículas descritas por el modelo estándar se resumen en la ilustración siguiente.

Interacciones descritas por el Modelo Estándar junto con los grupos gauge y los bosones asociados a cada una de ellas. En la columna de la izquierda se representan las constantes fundamentales que indican la fuerza relativa de cada interacción.

 

Interacción Grupo gauge Bosón Símbolo Fuerza relativa
Electromagnética U(1) fotón g aem = 1/137
Débil SU(2) bosones intermedios W±, Z0 aweak = 1,02 · 10-5
Fuerte SU(3) gluones (8 tipos) g as(MZ) = 0,121

 

Bosón de Higgs

La partícula de Higgs es una partícula elemental escalar masiva hipotética predicha por el modelo estándar, y la única partícula fundamental predicha por ese modelo que no se ha observado completamente hasta ahora. Esto es en parte porque requiere una cantidad excepcionalmente grande de energía para crearla y observarla bajo circunstancias de laboratorio. Tiene spin S=0, por lo que es un bosón.

El bosón de Higgs desempeña un papel único en el modelo estándar, y un papel dominante en explicar los orígenes de la masa de otras partículas elementales, particularmente la diferencia entre el fotón sin masa y los bosones pesados W y Z. Las masas de las partículas elementales, y las diferencias entre el electromagnetismo (causada por el fotón) y la fuerza débil (causada por los bosones W y Z), son críticas en muchos aspectos de la estructura de la materia microscópica (y por lo tanto macroscópica); así, si se encuentra que existe, el bosón de Higgs tiene un efecto enorme en el mundo alrededor de nosotros.

Hasta la fecha de (2012), ningún experimento ha detectado directamente la existencia del bosón de Higgs, pero hay una cierta evidencia indirecta de él. Se espera que el colisionador de hadrones del CERN traerá la evidencia experimental que confirme su existencia.

Lista de fermiones del Modelo Estándar

Esta tabla se basa en parte de datos tomados por el Grupo de Datos de Partículas (Quarks).

Fermiones zurdos en el Modelo Estándar
Familia 1
Fermión (zurdo) Símbolo Carga eléctrica Isospin débil Hipercarga Carga de Color * Masa **
Electrón e^-, -1, -1/2, -1/2, bold{1}, 511 keV/C²
Positrón e^+, +1, 0, +1, bold{1}, 511 keV/C²
Neutrino electrónico nu_e, 0, +1/2, -1/2, bold{1}, < 2 eV/C²
Up quark u, +2/3, +1/2, +1/6, bold{3}, ~ 3 MeV/C² ***
Up antiquark bar{u}, -2/3, 0, -2/3, bold{bar{3}}, ~ 3 MeV/C² ***
Down quark d, -1/3, -1/2, +1/6, bold{3}, ~ 6 MeV/C² ***
Down antiquark bar{d}, +1/3, 0, +1/3, bold{bar{3}}, ~ 6 MeV/C² ***
Familia 2
Fermión
(zurdo)
Símbolo Carga
eléctrica
Isospin
débil
Hipercarga Carga de
Color
*
Masa **
Muon mu^-, -1, -1/2, -1/2, bold{1}, 106 MeV/C²
Antimuón mu^+, +1, 0, +1, bold{1}, 106 MeV/C²
Neutrino muónico nu_mu, 0, +1/2, -1/2, bold{1}, < 2 eV/C²
Quark Charm c, +2/3, +1/2, +1/6, bold{3}, ~ 1.3 GeV/C²
Antiquark Charm bar{c}, -2/3, 0, -2/3, bold{bar{3}}, ~ 1.3 GeV/C²
Quark Strange s, -1/3, -1/2, +1/6, bold{3}, ~ 100 MeV/C²
Antiquark Strange bar{s}, +1/3, 0, +1/3, bold{bar{3}}, ~ 100 MeV/C²
Familia 3
Fermión
(zurdo)
Símbolo Carga
eléctrica
Isospin
débil
Hipercarga Carga de
Color
*
Masa **
tau tau^-, -1, -1/2, -1/2, bold{1}, 1.78 GeV/C²
Anti-tau tau^+, +1, 0, +1, bold{1}, 1.78 GeV/C²
Neutrino tauónico nu_tau, 0, +1/2, -1/2, bold{1}, < 2 eV/C²
Top quark t, +2/3, +1/2, +1/6, bold{3}, 171 GeV/C²
Top antiquark bar{t}, -2/3, 0, -2/3, bold{bar{3}}, 171 GeV/C²
Bottom quark b, -1/3, -1/2, +1/6, bold{3}, ~ 4.2 GeV/C²
Bottom antiquark bar{b}, +1/3, 0, +1/3, bold{bar{3}}, ~ 4.2 GeV/C²
Notas:

  • * Estas cargas no se pueden sumar tal cual pues son etiquetas usadas para la representación de grupo de los grupos de Lie.
  • ** La masa realmente es el acoplamiento entre un fermión zurdo con otro fermión diestro. Por ejemplo, la masa de un electrón es realmente el acoplamiento entre un electrón zurdo con otro electrón diestro, el cual es la antipartícula de un positrón zurdo. Los neutrinos muestran grandes mezclas en su acoplamiento de masas.
  • *** Las masas de los bariones y los hadrones y varias secciones eficaces son cantidades medidas experimentalmente. Como los quarks no se pueden aislar por el confinamiento QCD, la cantidad dada aquí se supone la masa del quark en la escala de renormalización de la escala QCD

Insuficiencias del Modelo Estándar

Aún no hay indicios experimentales de la existencia del bosón de Higgs, aunque se espera que pueda ser detectado por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cuando éste sea reparado después de un primer intento fallido y entre en pleno funcionamiento en 2010.[1] Incluso cuando el Modelo Estándar ha tenido gran éxito en explicar los resultados experimentales, tiene ciertos defectos importantes:

1.El problema del número de constantes físicas fundamentales. El modelo contiene 19 parámetros libres, tales como las masas de las partículas, que deben ser determinados experimentalmente (además de 10 para las masas de los neutrinos). Esos parámetros no pueden ser calculados independientemente.
2.Gravedad cuántica. El modelo no describe la fuerza gravitatoria, ni los candidatos actuales para construir una teoría cuántica de la gravedad, se asemejan al modelo estándar.
3.Antimateria. Dentro de él, la materia y la antimateria son simétricas. La preponderancia de la materia en el universo podría ser explicada diciendo que el universo comenzó con otras condiciones iniciales, pero la mayoría de los físicos piensan que esta explicación no es elegante.
Existen alternativas al Modelo Estándar que intentan dar respuesta a estas “deficiencias”, como por ejemplo la teoría de cuerdas.

SUSY Supersymmetry

En la física de partículas, la supersimetría es una simetría hipotética propuesta que relacionaría las propiedades de los bosones y los fermiones. Aunque todavía no se ha verificado experimentalmente que la supersimetría sea una simetría de la naturaleza, es parte fundamental de muchos modelos teóricos, incluyendo la teoría de supercuerdas. La supersimetría también es conocida por el acrónimo inglés SUSY.

Según el modelo estándar (SM, de sus siglas en inglés) de la física de partículas, la materia está formada por fermiones (a su vez divididos en quarks y leptones), mientras que las partículas que transmiten las dos interacciones fundamentales de la naturaleza (interacción fuerte e interacción nuclear electrodébil) son bosones. La supersimetría extiende el número de partículas del SM de forma que a cada partícula le corresponde una compañera supersimétrica denominada super compañera. Así, cada bosón tiene una super compañera fermión y viceversa. Las super compañeras de los fermiones son bosones y reciben nombres que comienzan con la letra s; así, el electrón tiene como super compañera el selectrón, y los quarks, los squarks. Las super compañeras de los bosones son fermiones con nombres que terminan en -ino, así la del fotón es el fotino y la del gravitón (si se incluye la gravedad en el modelo), el gravitino. La extensión mínima del modelo estándar que incluye supersimetría se conoce como MSSM (del inglés: Minimal Supersymmetric Standard Model).

Sin embargo, debido a que dichas compañeras supersimétricas aún no han podido ser creadas en el laboratorio, sus masas deben ser mucho mayores que las de las partículas originales. Esto implica que la supersimetría, de ser cierta, está rota por algún mecanismo. La especificación de dicho mecanismo da lugar a diversas simplificaciones del MSSM.

Algunas partículas supersimétricas, como el neutralino, podrían explicar el problema de la materia oscura del universo.

Gracias al gran potencial de poder explicar muchas preguntas de la Física de Partículas y de la Astrofísica, la teoría de la supersimetría posee una gran popularidad, principalmente en la Física Teórica. La mayoría de las teorías científicas populares, la Teoría de la gran unificación y de la Teoría de supercuerdas, son supersimetricas. Sin embargo, a pesar de los argumentos teóricos alentadores, hasta ahora no se ha podido demostrar experimentalmente que la supersimetría existe realmente en la naturaleza.

El primer modelo en la física de partículas fue presentado en el año 1973 por Julius Wess y Bruno Zumino. Este modelo, conocido con el nombre de Modelo de Wess-Zumino, no es un modelo real de la naturaleza, sino más bien, un modelo mínimo supersimétrico con solo un Fermion y su super compañero Boson. A pesar de que el modelo de Wess-Zumino no representa un modelo físico real, sirve por su sencillez de modelo ejemplo para mostrar ciertos aspectos de los modelos físicos supersimétricos. El primer modelo supersimétrico compatible con el modelo estándar de la física de partículas llamado Modelo Mínimo Estándar Supersimétrico (MSSM), fue enunciado en el año 1981 por Howard Georgi y Savas Dimopoulos. Según el MSSM, las masas de los super compañeros se podrán observar en la región entre 100 GeV hasta 1 TeV mediante el acelerador de partículas conocido como “gran colisionador de hadrones” (en inglés, Large Hadron Collider, LHC), terminado de construir en el año 2008 en la frontera franco-suiza. Los científicos esperan poder demostrar mediante el LHC la existencia de los super compañeros de las partículas elementales ya conocidas.

Bibliografia Wikipedia.org

Teoria de Branas Universo elegante Briane Greene

Universo de Stephen Hawking

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