$SU(\mathcal{N})$ baryon formation in the early Universe and dark matter

En la vasta e invisible arquitectura del universo, existe un misterio persistente respecto a la naturaleza de la materia oscura. Aunque podemos ver estrellas y galaxias, la mayor parte de la masa del universo permanece oculta, ejerciendo gravedad pero negándose a emitir o reflejar luz. Durante décadas, los físicos han propuesto que esta masa faltante consiste en partículas no descubiertas, imaginándolas a menudo como entidades simples y solitarias. Sin embargo, otra idea convincente sugiere que la materia oscura podría estar compuesta por estructuras complejas y compuestas, de forma muy similar a los protones y neutrones que forman los átomos de nuestros propios cuerpos. Estas partículas hipotéticas serían "bariones" formados por un nuevo tipo de fuerza que las mantiene unidas, similar a cómo la fuerza nuclear fuerte mantiene unidos a los quarks en nuestro mundo. La pregunta crítica para los cosmólogos es cómo estas estructuras complejas podrían haberse formado en el entorno caótico y de alta energía del universo temprano sin ser destruidas antes de poder convertirse en la materia oscura que observamos hoy.

Un equipo de investigadores ha investigado ahora este proceso de formación para una clase específica de teorías donde la fuerza de unión involucra un gran número de "colores", una propiedad análoga a la carga eléctrica pero específica para esta nueva fuerza. En nuestro mundo familiar, la fuerza que une a los quarks proviene de tres variedades, lo que permite que se combinen en grupos de tres para formar partículas estables. Los investigadores exploraron qué pasaría si esta fuerza viniera en muchas más variedades—específicamente, doce, dieciocho o incluso veintiuna. Se propusieron simular el momento en que el universo se enfrió lo suficiente como para que estas fuerzas entraran en acción, atrapando partículas libres en estados ligados. Su objetivo era determinar si estas partículas complejas podrían ensamblarse con éxito en candidatos de materia oscura estables y neutros, o si el proceso sería bloqueado por la propia naturaleza de las fuerzas involucradas.

La simulación reveló un obstáculo significativo que surge cuando el número de variedades de fuerza aumenta. En el universo temprano, a medida que la temperatura descendía, las partículas libres comenzaron a agruparse. Los investigadores encontraron que, si bien las partículas podían emparejarse fácilmente para formar estructuras simples de dos partículas conocidas como mesones, el camino para construir los bariones más grandes estaba severamente obstaculizado. Este bloqueo ocurre porque la fuerza que atrae a una sola partícula hacia un grupo creciente es mucho más débil que la fuerza que atrae a una partícula y una antipartícula para formar un mesón. Como resultado, los bloques de construcción para los grandes bariones son consumidos rápidamente por la formación de mesones. Los investigadores describen esto como un "cuello de botella": la línea de ensamblaje para las partículas de materia oscura complejas está obstruida porque los ingredientes están siendo desviados hacia estructuras más simples y competidoras antes de que la construcción más grande pueda completarse.

Este efecto se vuelve dramáticamente más fuerte a medida que el número de variedades de fuerza aumenta. En el caso de doce variedades, los investigadores calcularon que el número de bariones exitosos formados se ve suprimido a una fracción minúscula de lo que se esperaría en un sistema más simple. Para dieciocho variedades, la supresión es aún más extrema, reduciendo el rendimiento por un factor de diez a la potencia de veintitrés. Esto significa que, para estos sistemas más grandes, el universo produce casi ningún barión estable. Los pocos que se forman son tan raros que, para explicar la cantidad total de materia oscura que observamos hoy, cada partícula individual tendría que ser increíblemente masiva. De hecho, para los números más grandes de variedades estudiados, la masa requerida excedería los límites teóricos establecidos por las leyes de la mecánica cuántica, lo que sugiere que tales partículas pesadas simplemente no pueden existir de la manera en que el modelo las describe.

Para hacer su modelo realista, los investigadores también se aseguraron de que las partículas pudieran interactuar con las fuerzas conocidas de la naturaleza de una manera que permita que las partículas inestables decaigan de forma segura. Construyeron un escenario con tres tipos de partículas, similares a los quarks up, down y strange de nuestro propio mundo, lo que permite la existencia de un barión neutro y estable que podría servir como materia oscura. En esta configuración, cualquier versión inestable o cargada de estas partículas decaería en radiación inofensiva mucho antes de la formación de las primeras estrellas, asegurando que no interfieran con la historia conocida del universo. El estudio confirma que, si bien un partido de materia oscura neutro y estable es teóricamente posible en estos modelos, el mecanismo que lo crea es tan ineficiente para un gran número de variedades de fuerza que las partículas resultantes serían demasiado pesadas para ser candidatos viables para la materia oscura que llena nuestro cosmos.

Las implicaciones de este trabajo son profundas para las teorías que dependen de la materia oscura compuesta y compleja. Sugiere que, si la materia oscura está hecha de tales estructuras, la fuerza subyacente no puede tener demasiadas variedades, o el universo simplemente no produciría suficientes de ellas. Para modelos con un número moderado de variedades, como doce, un candidato de materia oscura estable podría existir, pero tendría que ser extremadamente pesado, pesando aproximadamente cien mil veces la masa de un protón. Esto impone restricciones estrictas sobre cómo estas teorías pueden ser construidas y probadas. Los investigadores concluyen que, si bien la idea de la materia oscura compuesta sigue siendo una posibilidad fascinante, el mecanismo específico de su formación actúa como un filtro poderoso, descartando las versiones más complejas de la teoría y apuntando hacia un camino mucho más estrecho para la exploración futura.