¿Puede una partícula que nadie ha visto servir de puente hacia una dimensión invisible? Físicos de la Universidad de Granada y la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia han desarrollado un modelo en el que una partícula escalar muy pesada conecta la materia conocida con un sector oscuro. La propuesta es teórica y no significa que se haya descubierto esa partícula ni que exista una puerta física hacia otro lugar.
El trabajo, publicado el 20 de enero de 2021, plantea que el nuevo mediador sería una especie de pariente mucho más pesado del bosón de Higgs. Al mezclarse con el Higgs, podría comunicar la materia ordinaria con una forma fermiónica de materia oscura. En determinadas condiciones sobre el universo temprano, los cálculos reproducen además la cantidad de materia oscura observada.
No es un portal de ciencia ficción
En física de partículas, un portal es una interacción que permite que dos sectores casi desconectados se influyan. Se parece más a un traductor que a una puerta. Aquí, el puente sería una partícula escalar, la vibración de un campo parecido en algunos aspectos al campo de Higgs.
Adrián Carmona, Javier Castellano Ruiz y Matthias Neubert firman el estudio. Carmona estaba vinculado a la Universidad de Granada, mientras que Castellano Ruiz y Neubert trabajaban en el clúster de excelencia PRISMA Plus y el Instituto de Física Teórica de Maguncia. “Podría ser la única ventana relevante a un posible sector oscuro”, explicó Carmona.
Qué sería la quinta dimensión
Nuestro mundo cotidiano tiene tres direcciones espaciales y una dimensión temporal. El modelo añade una quinta coordenada del espacio-tiempo, tan pequeña y curvada que no sería visible a escala humana. No es otra habitación del universo, sino una dirección adicional por la que ciertos campos podrían extenderse.
Estas ideas se conocen como dimensiones extra deformadas y se apoyan en el modelo de Randall y Sundrum de 1999. El nuevo trabajo también continúa una investigación de 2019 sobre el origen de las masas de los fermiones, las partículas que forman la materia, como electrones y quarks. En ese marco, su distribución en la dimensión extra ayuda a explicar por qué tienen masas tan distintas.
Cómo funciona el puente
El ingrediente central es un nuevo campo escalar que recorre la quinta dimensión. Sus excitaciones aparecerían desde nuestra perspectiva como partículas pesadas, del mismo modo que el bosón de Higgs manifiesta el campo de Higgs. Una de ellas actuaría como mediadora entre los fermiones conocidos y los fermiones oscuros.
El modelo no afirma que la masa desaparezca o se marche a otra dimensión. Propone que los campos tienen perfiles repartidos por esa coordenada extra y que su posición cambia la masa efectiva y la intensidad de sus interacciones. El mediador sería tan pesado que el Gran Colisionador de Hadrones no podría producirlo directamente, aunque su mezcla con el Higgs podría dejar pequeñas huellas medibles.
Cómo encaja la materia oscura
La materia oscura no emite ni absorbe luz, pero su gravedad deja señales en galaxias y cúmulos. Los datos de la misión Planck sitúan su contribución cerca del 27 por ciento del contenido del universo, frente a menos del 5 por ciento de materia ordinaria. El Modelo Estándar describe las partículas conocidas, pero no incluye un candidato viable para explicar toda esa materia invisible.
En este escenario, la materia oscura estaría formada por fermiones pesados que también se extienden por la quinta dimensión. El escalar facilitaría sus interacciones durante los primeros instantes del cosmos y podría dejar la abundancia actual si la llamada congelación, el momento en que dejaron de destruirse mutuamente con eficacia, ocurrió durante una etapa temprana dominada por materia. Esa condición es importante y evita presentar el resultado como una respuesta definitiva.
Las pruebas que faltan
Los autores compararon sus predicciones con los resultados de XENON1T, un detector de xenón que busca choques rarísimos entre materia oscura y átomos. Hallaron regiones del modelo compatibles con aquellos límites, sobre todo cuando la mezcla entre el nuevo escalar y el Higgs es pequeña. Superar ese filtro no equivale a detectar una partícula, solo indica que la hipótesis no quedó descartada por esos datos.
Otra vía sería medir con enorme precisión cómo se acopla el Higgs a partículas conocidas, en especial al quark fondo. El estudio calcula que futuros colisionadores podrían explorar algunas desviaciones, mientras ATLAS ha investigado otros modelos de portal del Higgs. Pero falta el paso decisivo, una señal reproducible que no pueda explicarse con el Modelo Estándar.
El estudio principal se ha publicado en The European Physical Journal C.
