Nucleosíntesis primordial como ventana a la materia oscura

Portada: Imagen compuesta del cúmulo de galaxias CL0024+17 tomada por el telescopio espacial Hubble que muestra la creación de un efecto de lente gravitacional. Fuente: NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University).

Datos del artículo científico:

• Título: “Reconstructing the early-universe expansion and thermal history”
• Autoras: Rui An, Vera Gluscevic.
• Fecha de publicación: 22 de Febrero 2024.
• Institución del primer autor: Department of Physics and Astronomy, University of Southern California, Los Angeles, CA 90089, USA.
• Estado de la publicación: Aceptado en la revista “Physical Review D”, acceso abierto en arXiv.

En este astrobito, rebobinaremos el reloj cósmico para investigar una era fascinante en la historia del Universo: la nucleosíntesis primordial. También veremos cómo la comunidad científica puede usar observaciones muy precisas de este evento para inferir la existencia de nuevas partículas que pueden ayudar a explicar la materia oscura.

Materia Oscura

La materia que podemos ver en el Universo, y la cual entendemos al nivel de física de partículas (modelo estándar), constituye únicamente 20% del total. La gran mayoría restante, un 80%, es lo que llamamos materia oscura. Aunque no podamos verla, diversas observaciones cosmológicas (rotación de galaxias, fondo cósmico de microondas, colisiones de cúmulos de galaxias, etc.) nos indican que esta materia debe estar presente en el Universo. 

Actualmente, desconocemos cuál es la naturaleza fundamental de la materia oscura. Si bien existen muchos modelos que explican con mayor éxito ciertas observaciones o que resultan atractivos desde el punto de vista teórico, la comunidad científica favorece modelos que proponen nuevas partículas elementales llamadas colectivamente materia oscura fría, haciendo referencia a su baja velocidad con respecto a la luz.

Dicho esto, todavía hay mucho por conocer en términos de la naturaleza de la materia oscura ¿Podríamos obtener algún tipo de información a través de la nucleosíntesis primordial?

Nucleosíntesis primordial

En cosmología, la nucleosíntesis primordial (nucleosíntesis del Big Bang o BBN por sus siglas en inglés) es el periodo en la historia del Universo en el cual los primeros núcleos atómicos se formaron. Dada su breve duración (aproximadamente 3 minutos), solamente se formaron núcleos de elementos ligeros: hidrógeno, helio, deuterio y una pequeña fracción de litio. Es gracias a la gravedad juntando a los elementos resultantes de la nucleosíntesis que luego de un largo periodo de oscuridad en el Universo, las primeras estrellas se formaron, dando inicio a la creación del resto de los elementos de la tabla periódica a través de “generaciones” estelares. 

La nucleosíntesis primordial es un pilar fundamental de la teoría del Big Bang, ya que las predicciones de la teoría son consistentes con las observaciones de las abundancias primigenias de los elementos ligeros. Estas observaciones son muy importantes en cosmología dado que se pueden utilizar como un estándar para explorar nueva física. 

Siguiendo esta idea, las autoras del artículo original usaron las abundancias primigenias de hidrógeno y helio, junto con modelos estadísticos, para reconstruir la temperatura y la tasa de expansión del Universo durante la nucleosíntesis. Esta reconstrucción es independiente de un modelo cosmológico en particular, evitando suposiciones sobre el contenido específico de partículas del Universo. Los resultados para la temperatura y la tasa de expansión se ilustran en las Figuras 1 y 2, respectivamente. Ambas magnitudes son relevantes para explorar nueva física, dado que son sensibles a los procesos de los que una hipotética nueva partícula podría participar.

Agregando ingredientes: el efecto de nuevas partículas más allá del modelo estándar

Las autoras del artículo científico que resumimos en este astrobito argumentan que la abundancia de elementos primordiales es sensible a física más allá del modelo estándar. Por lo tanto, las predicciones teóricas de la abundancia cambiarían si se incluyen nuevas partículas (como las que se necesitan para explicar la materia oscura). Dado que las observaciones actuales son muy precisas, compararlas con los modelos disponibles permite no sólo descartar los que no están de acuerdo con los datos, sino también se fijan nuevos límites que la teoría debe respetar.

Pensemos en posibles candidatos para la materia oscura. Si introducimos una nueva partícula, sus efectos al interactuar con otras partículas del modelo estándar serían observables en el periodo de la nucleosíntesis primordial, es decir, en la tasa de expansión y en la temperatura del Universo en aquel entonces. Esto permite acotar algunas propiedades de la hipotética partícula de materia oscura. Por ejemplo, en el artículo original, se intenta acotar  la masa del candidato (mχ), y se consideran dos tipos de materia oscura: una que se acopla a neutrinos y otra que se acopla a radiación electromagnética.

Así, en la gráfica de resultados (Figura 3) los valores permitidos de la masa corresponden al espacio donde la curva teórica es consistente con las regiones sombreadas en gris. De este modo, las autoras del artículo original obtienen mχ ≳ 12.6 MeV para las especies acopladas a neutrinos y mχ ≳ 10.8 MeV como límite para las especies acopladas electromagnéticamente. Estos resultados están en línea con estudios anteriores que asumen un modelo particular de cosmología (como el modelo estándar). 

Quizás uno de los logros más importantes de este estudio es que la reconstrucción de la temperatura y expansión del Universo durante la nucleosíntesis primordial es independiente de un modelo cosmológico particular. Esto permitirá que la comunidad científica utilice estas reconstrucciones para probar diferentes modelos de materia oscura de manera conveniente. Sin lugar a dudas, ¡hay que estar atentos a futuros estudios!