El misterio de la materia oscura en el universo

Según la teoría del Big Bang, antes de que el universo naciera, no había tiempo, espacio, materia ni energía. Hace aproximadamente 15 mil millones de años, un pequeño punto explotó, expandiéndose gradualmente para formar el espacio y el tiempo, dando lugar al nacimiento del universo, que desde entonces ha evolucionado. Las galaxias, la Tierra, el aire, el agua y la vida se formaron dentro de este espacio-tiempo en constante expansión.

Observaciones astronómicas recientes y estudios sobre el universo en expansión sugieren que la densidad del universo podría estar compuesta por aproximadamente un 70% de energía oscura, un 5% de objetos luminosos y no luminosos, un 5% de materia oscura caliente y un 20% de materia oscura fría. Esto indica que alrededor del 90% del universo está formado por materia oscura invisible, que podría contener un tipo de partícula masiva débilmente interactuante no visible desde los primeros tiempos del universo; la materia oscura fría es crucial para apoyar la teoría de un universo en expansión.

La búsqueda de la materia oscura y la exploración de sus propiedades se han convertido en uno de los puntos focales de la investigación en física de altas energías a nivel mundial. El Instituto de Física de Altas Energías de la Academia China de Ciencias está a la vanguardia de este campo. En 1972, observaron un fenómeno peculiar donde partículas de rayos cósmicos con energía superior a 30 mil millones de electronvoltios colisionaron con partículas en grafito, produciendo tres partículas cargadas. El análisis reveló que una partícula era un mesón negativo, otra era un protón y la tercera era una partícula cargada con energía superior a 4.3 mil millones de electronvoltios y una vida útil de más de 0.046 nanosegundos. Muchos científicos creen que si esto se puede confirmar, sería sin duda una nueva partícula más allá del Modelo Estándar, potencialmente representando partículas de materia oscura.

En 1979, los científicos descubrieron que la temperatura en la dirección del fondo de Andrómeda era más alta que en otras direcciones del cielo, lo que indicaba la presencia de una masa desconocida y enorme. Según la ley de gravitación universal de Newton, los planetas más alejados en una galaxia deberían girar más lentamente alrededor del centro de la galaxia. Sin embargo, se han observado muchas galaxias donde los planetas exteriores giran más rápido que los que están cerca del centro. Esto sugiere que, además de las galaxias visibles o los cúmulos de galaxias, hay una cantidad significativa de materia oscura oculta en su interior, envolviendo a las galaxias y cúmulos de galaxias como un halo. Entonces, ¿de qué está compuesto este halo?

En la década de 1980, algunos científicos en Estados Unidos y la Unión Soviética propusieron el modelo de "axión" de la materia oscura. Según este modelo, en el comienzo del caos, el universo era como una espesa sopa de baryones y axiones mezclados. Más tarde, los baryones se trasladaron gradualmente al centro de los cúmulos debido a la energía radiante, lo que resultó en que la materia luminosa ordinaria fuera rodeada por un halo de partículas frías, formando cuerpos celestes similares a galaxias. Este modelo es elegantemente simple, pero requiere más experimentos para su validación.

Los científicos creen que las partículas de materia oscura fría deberían poseer un tipo de partícula neutral estable y pesada que no participe directamente en interacciones electromagnéticas, pero que pueda participar en interacciones débiles y gravitacionales. Esta partícula está sin duda más allá del Modelo Estándar, y si se puede observar directamente en experimentos, representaría un gran avance en la exploración de la estructura y las leyes fundamentales del mundo microscópico de la materia.