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Científicos europeos creen haber encontrado un portal a la quinta dimensión

Juan Carlos Tellechea
viernes, 2 de julio de 2021
Materia oscura © by Slideshare Materia oscura © by Slideshare
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Utilizando una combinación de observación sistemática y simulación cosmológica, investigadoress españoles y alemanes han descubierto que los agujeros negros ayudan a ciertas galaxias a formar nuevas estrellas. Este es el resultado de los trabajos de un equipo que integran tambén científicos del Instituto Max Planck de Astronomía, de Heidelberg. 

Densidad de gas alrededor de una galaxia central masiva en un grupo de galaxias en el universo virtual de la simulación TNG50. El gas dentro de la galaxia corresponde a la estructura vertical brillante y forma un disco de gas. A la izquierda y a la derecha de la estructura hay burbujas, regiones que parecen círculos en esta imagen, con una densidad de gas significativamente reducida en el interior. Esta geometría del gas se debe a la acción del agujero negro supermasivo, que se encuentra oculto en el centro de la galaxia, el cual expulsa el gas preferentemente en direcciones perpendiculares al disco de gas de la galaxia, creando regiones de menor densidad en el proceso. © 2021 by TNG Collaboration/Dylan Nelson.Densidad de gas alrededor de una galaxia central masiva en un grupo de galaxias en el universo virtual de la simulación TNG50. El gas dentro de la galaxia corresponde a la estructura vertical brillante y forma un disco de gas. A la izquierda y a la derecha de la estructura hay burbujas, regiones que parecen círculos en esta imagen, con una densidad de gas significativamente reducida en el interior. Esta geometría del gas se debe a la acción del agujero negro supermasivo, que se encuentra oculto en el centro de la galaxia, el cual expulsa el gas preferentemente en direcciones perpendiculares al disco de gas de la galaxia, creando regiones de menor densidad en el proceso. © 2021 by TNG Collaboration/Dylan Nelson.

El descubrimiento sorprende, porque normalmente las trampas gravitatorias cósmicas contrarrestan el nacimiento de estrellas, extrayendo el gas necesario de las galaxias. Los agujeros negros, sin embargo, pueden impedir la formación de estrellas mientras las galaxias vuelan a través del gas intergaláctico circundante.

Los agujeros negros activos en las galaxias tienen una reputación bastante destructiva. La energía que liberan calienta la materia en su galaxia de origen y a veces incluso hace que el gas salga de la galaxia. Ambos dificultan el nacimiento de nuevas estrellas. Pero ahora los investigadores han descubierto que los agujeros negros activos pueden incluso favorecer la formación de estrellas en algunos casos, al menos en las llamadas galaxias satélite que orbitan alrededor de su galaxia de origen.

Las observaciones en las que se registra el espectro de una galaxia lejana -esto es, la división de la luz en sus distintas longitudes de onda, similar a la del arco iris- permiten determinar de forma comparativamente directa el ritmo al que ese sistema de la Vía Láctea forma nuevas estrellas. En muchas galaxias, las tasas de formación estelar son bastante modestas. En nuestra galaxia, solo nacen una o dos estrellas nuevas al año. En otras galaxias se producen breves estallidos de intensa actividad de formación estelar, denominados starbursts, en los que nacen cientos de estrellas al año.


Las galaxias

Por último, existen galaxias que prácticamente han dejado de formar nuevas estrellas. Entre ellas se encuentran las galaxias satélite que forman parte de un grupo o cúmulo de galaxias. Su masa es comparativamente pequeña y orbitan alrededor de una galaxia central mucho más masiva, como los satélites orbitan alrededor de la Tierra. En casi la mitad de estas galaxias, la actividad de formación estelar está suprimida.

Desde la década de 1970, los astrónomos han sospechado que la razón de la gran reducción de la formación estelar en estas galaxias satélite podría estar relacionada con una especie de viento impulsor: En concreto, los grupos y cúmulos de galaxias también contienen gas caliente y fino que llena el espacio intergaláctico. Cuando una galaxia satélite se desplaza a través de un cúmulo de galaxias a una velocidad de cientos de kilómetros por segundo, siente una especie de corriente de aire a través del fino gas, como quien conduce una motocicleta a gran velocidad. Las estrellas de la galaxia satélite son demasiado pequeñas y compactas como para verse afectadas por el gas intergaláctico que se aproxima.

La contrapresión

Pero el gas de la galaxia satélite siente claramente esta "contrapresión" o “presión de ariete“: es empujado fuera de la galaxia satélite en contra de la dirección de vuelo por el gas intergaláctico caliente que se aproxima. Por otra parte, una galaxia que se mueve rápidamente no tiene ninguna posibilidad de atraer una cantidad suficiente de gas intergaláctico para reponer su depósito de gas. La conclusión es que las galaxias satélites pierden prácticamente su gas de esta manera. Esto les deja sin la materia prima necesaria para la formación de estrellas. Resultado: la actividad de nacimiento de estrellas se paraliza.

Los procesos descritos tienen lugar a lo largo de millones o incluso miles de millones de años, por lo que no podemos observar directamente lo que ocurre. Sin embargo, hay formas de aprender más: Simulaciones por ordenador de universos virtuales cuya evolución sigue las mismas leyes físicas que el universo real. Los resultados de estas simulaciones pueden compararse con las observaciones astronómicas reales.

Universos virtuales

Annalisa Pillepich, jefa de grupo en el Instituto Max Planck de Astronomía de Heidelberg, está especializada en este tipo de simulación cosmológica. La serie de simulaciones IllustrisTNG, que Pillepich codirige, genera los universos virtuales más detallados hasta la fecha; universos en los que se puede seguir el movimiento del gas a escalas comparativamente pequeñas.

IllustrisTNG también proporciona algunos ejemplos extremos de galaxias satélite que acaban de perder su gas debido a la contrapresión: las "galaxias medusa", que arrastran los restos de su gas tras ellas como las medusas arrastran sus tentáculos. De hecho, la identificación de todas las galaxias medusa en estas simulaciones es un proyecto de ciencia ciudadana lanzado recientemente en la plataforma Zooniverse.

Pero aunque las galaxias medusa son importantes para el estudio de las galaxias satélites, el punto de partida del proyecto de investigación que aquí se describe fue diferente: durante un almuerzo en noviembre de 2019, Pillepich le habló al astrónomo observacional Ignacio Martín-Navarro, quien entonces estaba en el Instituto Max Planck de Heidelberg con una beca Marie Curie, de otro hallazgo de IllustrisTNG: ¿hasta dónde se extiende la influencia de los agujeros negros supermasivos más allá de su galaxia de origen en el espacio intergaláctico?

Su influjo

Estos monstruos masivos se encuentran en el centro de prácticamente todas las galaxias. La materia que entra en el agujero negro a través de un disco de acreción libera una enorme cantidad de energía en forma de radiación. A menudo, también se crean dos chorros opuestos de partículas de movimiento rápido que se aceleran alejándose del agujero negro en ángulo recto con respecto al disco de acreción. Un agujero negro supermasivo que irradia energía de este modo se denomina núcleo galáctico activo (AGN).

IllustrisTNG puede simular en el universo modelo como un AGN suministra energía al gas circundante. Esto crea flujos de gas perpendiculares al disco galáctico o plano preferido que se abren paso hacia el exterior lo suficiente como para afectar al entorno intergaláctico, el gas fino que rodea la galaxia. En el proceso, el gas intergaláctico es empujado más hacia afuera, creando una burbuja gigante a cada lado de la galaxia.

Este hecho hizo pensar a Annalisa Pillepich y a Ignacio Martín-Navarro: 

Si una galaxia satélite atraviesa dicha burbuja, ¿los flujos de gas provocados por el AGN contribuirían al viento en contra que siente la galaxia satélite? ¿Y frenaría esto aún más la actividad de formación estelar de la galaxia satélite?

El catálogo del cielo

Martín-Navarro había trabajado anteriormente con datos de uno de los mayores estudios sistemáticos del cielo hasta la fecha, el Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Este catálogo proporciona imágenes y espectros de alta calidad de una gran parte de la esfera celeste del norte. En los datos disponibles públicamente de este estudio, Martín-Navarro examinó 30.000 grupos y cúmulos de galaxias, cada uno de los cuales contenía una galaxia central y una media de cuatro galaxias satélite.

En un análisis estadístico de estos miles de sistemas, el investigador encontró una pequeña pero significativa diferencia entre las galaxias satélite que estaban cerca del plano preferido de la galaxia central y las que estaban muy por encima o por debajo de él, y por tanto en las burbujas diluidas. Estas galaxias mostraron una formación estelar más activa en promedio.

Si se seleccionara al azar una galaxia satélite, la probabilidad de que su actividad de formación estelar se haya detenido sería aproximadamente un cinco por ciento menor para una galaxia por encima o por debajo del plano que para una galaxia cercana al plano.

Análisis estadístico

En el siguiente paso, Ignacio Martín-Navarro y Annalisa Pillepich aplicaron el mismo análisis estadístico en el universo de simulaciones IllustrisTNG. Y, efectivamente, también se encontró exactamente la correlación descrita en el espacio virtual, incluida la desviación de la probabilidad del cinco por ciento.

Pillepich, Martín-Navarro y sus colegas empezaron entonces a pensar en qué mecanismo físico podría ser responsable de ello. Su hipótesis: imagina una galaxia satélite viajando a través de una de las burbujas adelgazadas, generadas por el agujero negro central en el medio intergaláctico circundante. Debido a su menor densidad, esta galaxia satélite experimenta menos viento de traslación y, por tanto, menos presión de ariete. Esto hace que sea menos probable que el gas de esa galaxia satélite sea expulsado de ella.

Aquí depende de las estadísticas. En el caso de las galaxias satélites que ya han orbitado varias veces alrededor de la misma galaxia central y que en el proceso han atravesado varias veces las burbujas -pero también las regiones intermedias con mayor densidad-, el efecto no será muy notable. Estas galaxias hace tiempo que perdieron su gas.

Diferencias

Pero en el caso de las galaxias satélite que se han unido recientemente al grupo o cúmulo, la ubicación marcará la diferencia: Si estos satélites aterrizan primero en una burbuja, es menos probable que hayan perdido su gas, que si aterrizaran fuera de una burbuja cuando se unen al grupo, según las observaciones. Este efecto podría ser la razón de la diferencia estadística relacionada con la ubicación de las galaxias satélite.

La concordancia entre los análisis estadísticos de las observaciones del SDSS y las simulaciones de IllustrisTNG, combinada con una hipótesis plausible para el mecanismo físico subyacente, es un resultado prometedor. Confirma indirectamente que los núcleos galácticos activos no sólo calientan el gas intergaláctico circundante, sino que también lo "empujan" para crear regiones de menor densidad.

Composición de la materia oscura

La materia oscura en el universo podría ser el resultado de fermiones empujados a una quinta dimensión plegada. Esta teoría se basa en una idea planteada por primera vez en 1999 en el mundo científico, pero es única en sus hallazgos. La materia oscura constituye el 75% de la materia, pero nunca ha sido observada... hasta ahora. En un nuevo estudio, los científicos Adrián Carmona Bermúdez , de la Universidad de Granada, así como Javier Castellano Ruiz y Matthias Neubert, de la Universidad de Mainz, afirman que pueden explicar la materia oscura al postular una partícula que se vincula a una quinta dimensión.

Si bien la "dimensión extra plegada" (WED, sigla en inglés de warped extra dimension) es una marca registrada de un modelo de física popular introducido por primera vez en 1999, esta investigación, publicada en The European Physical Journal C, (editorial Springer, de Cham/Suiza) es la primera en utilizar de manera coherente la teoría para explicar la materia oscura de larga duración, uno de los problemas dentro de la física de partículas.

Quinta dimensión en el universo

El nuevo estudio procura explicar la presencia de materia oscura utilizando un modelo WED. Los científicos estudiaron masas de fermiones, que creen que podrían comunicarse en la quinta dimensión a través de portales, creando reliquias de materia oscura y "materia oscura fermiónica" dentro de la quinta dimensión.

La materia oscura

Nuestro conocimiento del universo físico se basa en la idea de la materia oscura que ocupa la mayor parte de la materia en el universo. La materia oscura es una especie de bateador emergente que ayuda a los científicos a explicar cómo funciona la gravedad, porque muchas características se disolverían o desmoronarían sin un "factor x" de materia oscura. Aun así, la materia oscura no altera las partículas que vemos y "sentimos", lo que significa que también debe tener otras propiedades especiales.

Interrogantes

Aquí “todavía quedan algunas cuestiones que no tienen respuesta dentro del (modelo estándar de la física)”, explican en su estudio los científicos de España y Alemania. “Uno de los ejemplos más significativos es el llamado problema de la jerarquía, la pregunta de por qué el bosón de Higgs es mucho más ligero que la escala característica de la gravedad. (El modelo estándar de física) no puede adaptarse a algunos otros fenómenos observados. Uno de los ejemplos más llamativos es el de la existencia de materia oscura ".

Una nueva física

¿Podrían los fermiones que viajan por las dimensiones explicar al menos parte de la materia oscura que los científicos no han podido observar hasta ahora? "Sabemos que no hay ningún candidato viable (de la materia oscura) en el (modelo estándar de la física)", sostienen los científicos, "así que ya este hecho pide la presencia de una nueva física".

Actúan como materia oscura

Básicamente, una pieza clave de las matemáticas crea masas de fermiones que se manifiestan en el llamado espacio alabeado de quinta dimensión. Este "sector oscuro" de bolsillo es una posible forma de explicar la enorme cantidad de materia oscura que, hasta ahora, ha eludido la detección mediante cualquier medición tradicional diseñada para el modelo estándar de la física. Los fermiones atascados a través de un portal a una quinta dimensión plegada se supone que podrían estar "actuando como" materia oscura.

Respuesta al enigma

¿Cómo podríamos observar este tipo de materia oscura para verificarla? Hasta la fecha, este es el obstáculo para muchas teorías de la materia oscura. Pero todo lo que se necesitaría para identificar la materia oscura fermiónica en una quinta dimensión plegada sería el tipo adecuado de detector de ondas gravitacionales, algo cada vez más frecuente en todo el mundo. De hecho, la respuesta al enigma de la materia oscura podría estar ya, como quien dice, a la vuelta de la esquina.

Extracto de los científicos

Argumentamos que las extensiones del SM con una dimensión extra deformada, junto con un nuevo escalar singlete {\mathbb {Z}_2-odd, proporcionan una explicación natural no sólo para el problema de la jerarquía, sino también para la naturaleza de las masas masivas de los fermiones y la abundancia relicta de materia oscura observada. En particular, las excitaciones Kaluza-Klein de la nueva partícula escalar, que se requiere para obtener naturalmente las masas de los fermiones a través de las interacciones tipo Yukawa, pueden ser el portal principal de cualquier fermión que se propague en el grueso de la dimensión extra y desempeñe el papel de la materia oscura.
Además, estas excitaciones escalares se mezclarán necesariamente con el bosón de Higgs, dando lugar a modificaciones en los acoplamientos de Higgs y en las relaciones de ramificación, y permitiendo que el Higgs medie en la coanilación de la materia oscura fermiónica. Estudiamos estos efectos y exploramos la viabilidad de la materia oscura fermiónica en presencia de estos nuevos mediadores escalares pesados, tanto en el escenario habitual de congelación como en el caso de que la congelación se produzca durante un periodo temprano de dominación de la materia.

Introducción

El descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC representó el último paso hacia el establecimiento del Modelo Estándar (SM) como una teoría sólida que describe los componentes de la materia y sus interacciones hasta distancias muy cortas. Sin embargo, todavía hay algunas cuestiones que no tienen respuesta dentro del SM. Uno de los ejemplos más significativos es el llamado problema de la jerarquía, la cuestión de por qué el bosón de Higgs es mucho más ligero que la escala característica de la gravedad. Se podría argumentar que este problema es simplemente un subproducto de nuestros prejuicios teóricos y que la naturaleza no pidió una explicación dinámica para esta diferencia de escalas. Sin embargo, incluso en este caso, sabemos a ciencia cierta que el MS no puede dar cabida a algunos otros fenómenos observados. Uno de los ejemplos más llamativos es la existencia de la materia oscura (DM).
Sabemos que no hay ningún candidato a DM viable en el SM, por lo que este hecho ya exige la presencia de nueva física. Las extensiones del SM con una dimensión extra deformada (WED) compactada en una orbifold S1/Z2 contienen las características necesarias para abordar simultáneamente estas dos cuestiones, la ausencia de un candidato a DM viable y el problema de la jerarquía. Además, también pueden explicar la gran jerarquía existente entre las diferentes masas de los fermiones, proporcionando una versión calculable de la compositividad parcial [1,2,3,4,5,6,7], lo que las convierte en extensiones muy atractivas del SM.

Origen dinámico

Las masas de los fermiones en el WED compactado en un orbifold S1/Z2 tienen que tener un origen dinámico, ya que las masas en masa de cinco dimensiones (5D) deben ser funciones impares Z2 en el orbifold [8, 9]. De hecho, uno puede ver fácilmente que el fermión bilineal de Dirac 5D Ψ¯iΨi es impar bajo la simetría del orbifold, excluyendo la presencia de un término de masa constante. La solución más natural a este problema es generar dinámicamente estas masas con la ayuda de un campo escalar de masa Z2-odd. De hecho, si dicho campo escalar desarrolla un valor de expectativa en el vacío (VEV) con un perfil no trivial a lo largo de la dimensión extra, las masas de fermiones en masa pueden surgir dinámicamente a través de interacciones tipo Yukawa. Hemos explorado esta posibilidad en detalle en [10], estudiando en particular sus consecuencias fenomenológicas. En particular, se encuentra que el VEV tiene un perfil tipo kink, acercándose a la función de signo tradicional para grandes valores de la masa escalar impar, siempre que el WED sea significativamente mayor que su curvatura inversa.

Mediador irreducible

Una cuestión natural que surge en los escenarios que abordan el origen de las masas de los fermiones se refiere a la posible interacción con un bosón de Higgs. En [10] hemos considerado un campo de Higgs localizado en la rama, que no se mezcla a nivel de árbol con el campo escalar Z2-odd. Sin embargo, en el caso más general de un bosón de Higgs en el grueso de la dimensión extra [11,12,13,14,15,16,17], tal mezcla es inevitable y debe ser tenida en cuenta. Estudiar el efecto de esta mezcla es uno de los principales objetivos de este trabajo. Por otra parte, dado que el campo escalar impar es responsable de todas las masas de fermiones, representa una ventana única a cualquier sector oscuro femiónico que se propague en el grueso del WED. Los modelos con DMA ya cuentan con un mediador irreducible entre los sectores visible y oscuro, ya que la gravedad se acopla a la materia a través del tensor energía-momento. Sin embargo, como veremos, cuando los candidatos a DM son partículas fermiónicas de interacción débil (WIMPs) con masas de O(TeV), las resonancias que surgen del campo escalar 5D Z2-odd pueden proporcionar los mediadores más importantes para la sección transversal de coanilización de DM. Además, debido a la mezcla con el campo de Higgs, estos sectores oscuros fermiónicos están principalmente mediados por Higgs para masas de DM por debajo de la escala TeV. Examinamos a fondo el modelo resultante de DM fermiónico mediado por escalares para un amplio rango de masas de DM. Nos centramos en el caso en que la partícula DM es un fermión vectorial (VL), la primera excitación Kaluza-Klein (KK) de un fermión oscuro 5D. Sin embargo, la mayoría de nuestros resultados también son válidos en el caso de que el candidato a DM tenga una masa externa, que puede ser quiral, VL o incluso de tipo Majorana.

Metodología

Este trabajo está organizado como sigue: Para establecer la notación, revisamos el caso del Higgs masivo (sin tener en cuenta el acoplamiento portal) en la Sec. 2. En la Sec. 3 resolvemos el sistema acoplado de ecuaciones de campo obtenido después de activar el acoplamiento portal entre ambos tipos de campos escalares a granel, diagonalizando la matriz de masa 4D resultante de forma perturbativa. En la Sec. 4 procedemos a discutir la fenomenología asumiendo un acoplamiento de portal no despreciable y la presencia de Nχ campos de fermiones oscuros en masa. En primer lugar, discutimos el impacto de la mezcla escalar en los acoplamientos de Higgs del SM. A continuación, examinamos el impacto de los fermiones oscuros en la anchura de la desintegración invisible del Higgs. A continuación, discutimos las predicciones para la sección transversal de coanilización de DM mediada por el campo de Higgs y la primera resonancia KK del campo escalar Z2-odd, comparando estas contribuciones con las mediadas por los gravitones KK. Calculamos la predicción de la abundancia relicta de DM en función de la sección transversal de coanilización promediada por la velocidad en el escenario habitual de congelación, así como en el caso de un universo dominado por la materia [18,19,20]. Finalmente, calculamos las restricciones derivadas de la detección directa utilizando datos del experimento Xenon1T, mostrando que para un WIMP fermiónico de O(10 TeV) podemos reproducir la abundancia relicta de DM observada en el escenario de dominación por la materia, sin entrar en conflicto con los datos actuales de Xenon1T. En el caso de dominación de la radiación y masas de DM de ∼15 TeV, estos mediadores escalares pueden proporcionar una fracción no despreciable de la sección transversal de coanilación requerida, aunque se necesitarían mediadores adicionales.

Síntesis

En resumen, hemos demostrado que los modelos con un WED presentan naturalmente una explicación convincente para la abundancia relicta observada de DM, que consiste en un WIMP fermiónico de O(10) TeV acoplado al SM por un mediador escalar pesado S con masa mS∼30 TeV. Todo esto es posible sin entrar en conflicto con los datos actuales de los colisionadores, los experimentos de sabor y la cosmología, y sin dejar de proporcionar soluciones naturales al problema de la jerarquía y al rompecabezas del sabor, que son posiblemente dos de los problemas teóricos más importantes de la física de partículas.

 

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