Cuando se trata de comprender la estructura del universo, la mayor parte de lo que los científicos creen que existe está confinado a un dominio oscuro y turbio. La materia ordinaria, lo que podemos ver y tocar, representa sólo el 5% del cosmos. El resto, dicen los cosmólogos, es energía y materia oscuras, sustancias misteriosas que se etiquetan como "oscuras" en parte para reflejar nuestra ignorancia sobre su verdadera naturaleza.

Si bien no es probable que una sola idea explique todo lo que esperamos saber sobre el cosmos, una idea introducida hace dos años podría responder algunas preguntas importantes. Llamó al escenario de dimensión oscura, ofrece una receta específica para la materia oscura y sugiere una conexión íntima entre la materia oscura y la energía oscura. El escenario también podría decirnos por qué la gravedad, que esculpe el universo en las escalas más grandes, es tan débil en comparación con las otras fuerzas.

El escenario propone una dimensión aún no vista que vive dentro del ya complejo ámbito de la teoría de cuerdas, que intenta unificar la mecánica cuántica y la teoría de la gravedad de Einstein. Además de las cuatro dimensiones familiares (tres dimensiones espaciales infinitamente grandes más una de tiempo), la teoría de cuerdas sugiere que hay seis dimensiones espaciales extremadamente pequeñas.

En el universo de la dimensión oscura, una de esas dimensiones adicionales es significativamente más grande que las demás. En lugar de ser 100 millones de billones de veces más pequeño que el diámetro de un protón, mide alrededor de 1 micrón de ancho: un tamaño diminuto para los estándares cotidianos, pero enorme en comparación con los demás. Dentro de esta dimensión oscura se generan partículas masivas que transportan la fuerza gravitacional y forman la materia oscura que los científicos creen que comprende alrededor del 25% de nuestro universo y forma el pegamento que mantiene unidas a las galaxias. (Las estimaciones actuales sostienen que el 70% restante consiste en energía oscura, que está impulsando la expansión del universo).

El escenario "nos permite establecer conexiones entre la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica, la física de partículas y la cosmología, [mientras] aborda algunos de los misterios relacionados con ellas", dijo Ignacio Antoniadis, físico de la Universidad de la Sorbona que investiga activamente la propuesta de la dimensión oscura.

Si bien aún no hay evidencia de que exista la dimensión oscura, el escenario hace predicciones comprobables tanto para observaciones cosmológicas como para física teórica. Eso significa que tal vez no tengamos que esperar mucho para ver si la hipótesis se sostiene bajo un escrutinio empírico, o si será relegada a la lista de ideas tentadoras que nunca cumplieron su promesa original.

"La dimensión oscura que se imagina aquí", dijo el físico. Rajesh Gopakumar, director del Centro Internacional de Ciencias Teóricas en Bengaluru, tiene “la virtud de ser potencialmente descartado con bastante facilidad a medida que se agudizan los próximos experimentos”.

Adivinando la dimensión oscura

La dimensión oscura se inspiró en un viejo misterio relacionado con la constante cosmológica, un término designado con la letra griega lambda, que Albert Einstein introdujo en sus ecuaciones de gravedad en 1917. Creía en un universo estático, como muchos de sus pares. , Einstein añadió el término para evitar que las ecuaciones describieran un universo en expansión. Pero en la década de 1920, los astrónomos descubrieron que el universo en realidad se está hinchando, y en 1998 observaron que está creciendo a un ritmo acelerado, impulsado por lo que ahora se conoce comúnmente como energía oscura, que también se puede denotar en las ecuaciones mediante lambda.

Desde entonces, los científicos han luchado con una característica sorprendente de lambda: su valor estimado de 10^-122 en unidades de Planck es “el parámetro medido más pequeño en física”, dijo Cumrun Vafa, físico de la Universidad de Harvard. En 2022, mientras considera esa pequeñez casi insondable con dos miembros de su equipo de investigación... miguel montero, ahora en el Instituto de Física Teórica de Madrid, y Irene Valenzuela, actualmente en el CERN — Vafa tuvo una idea: una lambda tan minúscula es un parámetro verdaderamente extremo, lo que significa que podría considerarse dentro del marco del trabajo previo de Vafa en teoría de cuerdas.

Anteriormente, él y otros habían formulado una conjetura que explica lo que sucede cuando un parámetro físico importante adquiere un valor extremo. Llamada conjetura de la distancia, se refiere a la “distancia” en un sentido abstracto: cuando un parámetro se mueve hacia el borde remoto de la posibilidad, asumiendo así un valor extremo, habrá repercusiones para los demás parámetros.

Así, en las ecuaciones de la teoría de cuerdas, los valores clave (como las masas de las partículas, lambda o las constantes de acoplamiento que dictan la fuerza de las interacciones) no son fijos. Alterar uno afectará inevitablemente a los demás.

Por ejemplo, una lambda extraordinariamente pequeña, como se ha observado, debería ir acompañada de partículas mucho más ligeras, que interactúan débilmente y con masas directamente relacionadas con el valor de lambda. “¿Qué podrían ser?” Se preguntó Vafa.

Mientras él y sus colegas reflexionaban sobre esa pregunta, se dieron cuenta de que la conjetura de la distancia y la teoría de cuerdas se combinaban para proporcionar una idea clave más: para que estas partículas livianas aparezcan cuando lambda es casi cero, una de las dimensiones adicionales de la teoría de cuerdas debe ser significativamente mayor que la otros, quizás lo suficientemente grandes como para que podamos detectar su presencia e incluso medirla. Habían llegado a la dimensión oscura.

La Torre Oscura

Para comprender la génesis de las partículas de luz inferidas, necesitamos rebobinar la historia cosmológica hasta el primer microsegundo después del Big Bang. En ese momento, el cosmos estaba dominado por la radiación: fotones y otras partículas que se movían cerca de la velocidad de la luz. Estas partículas ya están descritas en el Modelo Estándar de física de partículas, pero en el escenario de la dimensión oscura, puede surgir una familia de partículas que no forman parte del Modelo Estándar cuando las familiares chocan entre sí.

"De vez en cuando, estas partículas de radiación chocaban entre sí, creando lo que llamamos 'gravitones oscuros'", dijo Georges Obied, físico de la Universidad de Oxford que ayudó a crear la teoría de los gravitones oscuros.

Normalmente, los físicos definen los gravitones como partículas sin masa que viajan a la velocidad de la luz y transmiten la fuerza gravitacional, similar a los fotones sin masa que transmiten la fuerza electromagnética. Pero en este escenario, como explicó Obied, estas primeras colisiones crearon un tipo diferente de gravitón: algo con masa. Más que eso, produjeron una variedad de gravitones diferentes.

"Hay un gravitón sin masa, que es el gravitón habitual que conocemos", dijo Obied. "Y luego hay infinitas copias de gravitones oscuros, todas ellas masivas". Las masas de los gravitones oscuros postulados son, en términos generales, un número entero multiplicado por una constante, M, cuyo valor está ligado a la constante cosmológica. Y hay toda una “torre” de ellos con una amplia gama de masas y niveles de energía.

Para tener una idea de cómo podría funcionar todo esto, imaginemos nuestro mundo de cuatro dimensiones como la superficie de una esfera. No podemos abandonar esa superficie nunca, para bien o para mal, y eso también es cierto para cada partícula en el Modelo Estándar.

Los gravitones, sin embargo, pueden ir a todas partes, por la misma razón que la gravedad existe en todas partes. Y ahí es donde entra la dimensión oscura.

Para imaginar esa dimensión, dijo Vafa, piense en cada punto de la superficie imaginada de nuestro mundo de cuatro dimensiones y adjúntele un pequeño bucle. Ese bucle es (al menos esquemáticamente) la dimensión extra. Si dos partículas del Modelo Estándar chocan y crean un gravitón, el gravitón "puede filtrarse hacia ese círculo extradimensional y viajar a su alrededor como una onda", dijo Vafa. (La mecánica cuántica nos dice que cada partícula, incluidos los gravitones y los fotones, puede comportarse como una partícula y como una onda, un concepto de hace 100 años conocido como dualidad onda-partícula).

A medida que los gravitones se filtran hacia la dimensión oscura, las ondas que producen pueden tener diferentes frecuencias, cada una correspondiente a diferentes niveles de energía. Y esos gravitones masivos, que viajan alrededor del bucle extradimensional, producen una influencia gravitacional significativa en el punto donde el bucle se une a la esfera.

"¿Quizás esta sea la materia oscura?" reflexionó Vafa. Después de todo, los gravitones que habían inventado interactuaban débilmente pero eran capaces de reunir algo de peso gravitacional. Un mérito de la idea, señaló, es que los gravitones han sido parte de la física durante 90 años, ya que fueron propuestos por primera vez como portadores de la fuerza gravitacional. (Cabe señalar que los gravitones son partículas hipotéticas y no han sido detectadas directamente). Para explicar la materia oscura, “no tenemos que introducir una nueva partícula”, dijo.

Los gravitones que pueden filtrarse al dominio extradimensional son "candidatos naturales para la materia oscura", dijo Georgi Dvali, director del Instituto Max Planck de Física, que no trabaja directamente en la idea de la dimensión oscura.

Una dimensión grande como la dimensión oscura propuesta tendría espacio para longitudes de onda largas, lo que implica partículas de baja frecuencia, baja energía y baja masa. Pero si un gravitón oscuro se filtrara en una de las diminutas dimensiones de la teoría de cuerdas, su longitud de onda sería extremadamente corta y su masa y energía muy altas. Partículas supermasivas como ésta serían inestables y de muy corta vida. "Habrían desaparecido hace mucho tiempo", dijo Dvali, "sin tener la posibilidad de servir como materia oscura en el universo actual".

La gravedad y sus portadores, los gravitones, impregnan todas las dimensiones de la teoría de cuerdas. Pero la dimensión oscura es mucho más grande (en muchos órdenes de magnitud) que las otras dimensiones adicionales, por lo que la fuerza de la gravedad se diluiría, haciéndola parecer débil en nuestro mundo de cuatro dimensiones, si se filtrara apreciablemente en la dimensión oscura más espaciosa. . "Esto explica la extraordinaria diferencia [en fuerza] entre la gravedad y las otras fuerzas", dijo Dvali, señalando que este mismo efecto se vería en otros escenarios extradimensionales.

Dado que el escenario de la dimensión oscura puede predecir cosas como la materia oscura, se puede someter a una prueba empírica. "Si te doy alguna correlación que nunca podrás probar, nunca podrás demostrar que estoy equivocado", dijo Valenzuela, coautor del estudio. papel original de dimensión oscura. "Es mucho más interesante predecir algo que realmente se puede probar o refutar".

Acertijos de la oscuridad

Los astrónomos saben que existe materia oscura (al menos de alguna forma) desde 1978, cuando la astrónoma Vera Rubin estableció que las galaxias giraban tan rápido que las estrellas en sus franjas más exteriores serían expulsadas a la distancia si no fuera por vastas reservas de algo invisible. sustancia que los retiene. Sin embargo, identificar esa sustancia ha resultado muy difícil. A pesar de casi 40 años de esfuerzos experimentales para detectar materia oscura, no se ha encontrado ninguna partícula de este tipo.

Si la materia oscura resulta ser gravitones oscuros, que interactúan de manera extremadamente débil, dijo Vafa, eso no cambiará. "Nunca serán encontrados directamente".

Pero puede haber oportunidades para detectar indirectamente las firmas de esos gravitones.

Una estrategia que están siguiendo Vafa y sus colaboradores se basa en estudios cosmológicos a gran escala que trazan la distribución de galaxias y materia. En esas distribuciones, podría haber "pequeñas diferencias en el comportamiento de agrupación", dijo Obied, que señalarían la presencia de gravitones oscuros.

Cuando los gravitones oscuros más pesados ​​se desintegran, producen un par de gravitones oscuros más claros con una masa combinada que es ligeramente menor que la de su partícula original. La masa faltante se convierte en energía cinética (según la fórmula de Einstein, E = mc²), lo que da a los gravitones recién creados un pequeño impulso: una "velocidad de patada" que se estima en aproximadamente una diezmilésima parte de la velocidad de la luz.

Estas velocidades de impulso, a su vez, podrían afectar la forma en que se forman las galaxias. Según el modelo cosmológico estándar, las galaxias comienzan con un grupo de materia cuya atracción gravitacional atrae más materia. Pero los gravitones con una velocidad de impulso suficiente pueden escapar de este control gravitacional. Si lo hacen, la galaxia resultante será ligeramente menos masiva de lo que predice el modelo cosmológico estándar. Los astrónomos pueden buscar esta diferencia.

Las observaciones recientes de la estructura cósmica del Kilo-Degree Survey son hasta ahora consistentes con la dimensión oscura: un análisis de los datos de ese estudio colocó un límite superior en la velocidad de la patada que estaba muy cerca del valor predicho por Obied y sus coautores. Una prueba más rigurosa provendrá del telescopio espacial Euclid, que se lanzó el pasado mes de julio.

Mientras tanto, los físicos también planean probar la idea de la dimensión oscura en el laboratorio. Si la gravedad se filtra hacia una dimensión oscura que mide 1 micrón de ancho, en principio se podría buscar cualquier desviación de la fuerza gravitacional esperada entre dos objetos separados por la misma distancia. No es un experimento fácil de realizar, afirmó Armin Shayeghi, físico de la Academia de Ciencias de Austria que realiza la prueba. Pero "hay una razón simple por la que tenemos que hacer este experimento", añadió: no sabremos cómo se comporta la gravedad a distancias tan cercanas hasta que miremos.

El medición más cercana hasta la fecha —realizado en 2020 en la Universidad de Washington— implicó una separación de 52 micrones entre dos cuerpos de prueba. El grupo austriaco espera alcanzar finalmente el rango de 1 micrón previsto para la dimensión oscura.

Si bien los físicos encuentran intrigante la propuesta de la dimensión oscura, algunos se muestran escépticos de que funcione. "Buscar dimensiones adicionales a través de experimentos más precisos es algo muy interesante", dijo Juan Maldacena, físico del Instituto de Estudios Avanzados, "aunque creo que la probabilidad de encontrarlos es baja".

jose conlon, físico de Oxford, comparte ese escepticismo: “Hay muchas ideas que serían importantes si fueran ciertas, pero probablemente no lo sean. Este es uno de ellos. Las conjeturas en las que se basa son algo ambiciosas y creo que la evidencia actual para ellas es bastante débil”.

Por supuesto, el peso de la evidencia puede cambiar, razón por la cual hacemos experimentos en primer lugar. La propuesta de la dimensión oscura, si es respaldada por próximas pruebas, tiene el potencial de acercarnos a la comprensión de qué es la materia oscura, cómo se vincula tanto con la energía oscura como con la gravedad, y por qué la gravedad parece débil en comparación con las otras fuerzas conocidas. “Los teóricos siempre están tratando de lograr este 'unir'. La dimensión oscura es una de las ideas más prometedoras que he oído en esta dirección”, dijo Gopakumar.

Pero en un giro irónico, lo único que la hipótesis de la dimensión oscura no puede explicar es por qué la constante cosmológica es tan asombrosamente pequeña, un hecho desconcertante que esencialmente inició toda esta línea de investigación. "Es cierto que este programa no explica ese hecho", admitió Vafa. "Pero lo que podemos decir, a partir de este escenario, es que si lambda es pequeña (y se explican en detalle las consecuencias de ello), podrían encajar todo un conjunto de cosas sorprendentes".