En 2023, los científicos detectaron una partícula subatómica llamada neutrino que golpeó la Tierra con un nivel de energía que parecía tan improbable. Ningún proceso cósmico conocido puede producir tanta energía. La partícula transporta aproximadamente 100.000 veces más energía que cualquier cosa producida por el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más poderoso del mundo.
Ahora, los físicos de la Universidad de Massachusetts Amherst creen haber encontrado una explicación. Su idea implica la muerte explosiva de un tipo raro de agujero negro conocido como “agujero negro primordial cuasi extremo”.
Una pista para los misterios más profundos del universo.
En un estudio publicado por el Dr. carta de revisión físicaLos investigadores muestran cómo un evento de este tipo puede producir un neutrino con esta extraordinaria energía. También sugieren que esta única partícula podría proporcionar información sobre la estructura fundamental del universo.
¿Qué es un agujero negro primordial?
Los científicos ya comprenden cómo se forman los agujeros negros ordinarios. Cuando una estrella masiva se queda sin combustible, colapsa en una poderosa supernova, dejando atrás un objeto con una gravedad tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Estos agujeros negros son extremadamente masivos y generalmente estables.
Pero en 1970, el físico Dr. Stephen Hawking propuso otra posibilidad. Sugirió que los agujeros negros podrían haberse formado en el universo primitivo poco después del Big Bang. Estos se denominan agujeros negros primordiales (PBH). Todavía no se han observado directamente, pero la teoría los predice. Como los agujeros negros normales, son increíblemente densos, pero pueden tener una masa mucho menor.
Hawking también demostró que los agujeros negros no son completamente silenciosos. Si se calientan lo suficiente, pueden emitir partículas mediante un proceso conocido ahora como radiación de Hawking.
La radiación de Hawking y las explosiones de agujeros negros
“Cuanto más ligero sea un agujero negro, más caliente debería ser y más partículas debería emitir”, dijo Andrea Tham, coautora del nuevo estudio y profesora asistente de física en la UMass Amherst. “A medida que los PBH se evaporan, se vuelven más ligeros y más calientes, emitiendo más radiación en un proceso desenfrenado hasta que explotan. Esta es la radiación de Hawking que nuestros telescopios pueden detectar”.
Si los científicos pudieran observar una de estas explosiones, podría revelar todo tipo de partículas elementales. Esto incluiría partículas conocidas como electrones, quarks y el bosón de Higgs, así como tipos de materia hipotéticos y posiblemente completamente nuevos, como las partículas de materia oscura.
Trabajos anteriores realizados por el equipo de la UMass Amherst sugieren que estas erupciones pueden ocurrir con más frecuencia de lo esperado, tal vez una vez cada década. Con los instrumentos actuales, es posible que ya sea posible detectarlos.
Observaciones de la teoría
Hasta hace poco, este concepto era puramente teórico.
Luego, en 2023, la colaboración KM3NeT detectó neutrinos extremadamente potentes. La observación coincidió con el tipo de señal que los investigadores habían predicho.
Un rompecabezas entre dos pruebas
Sin embargo, el descubrimiento plantea una nueva pregunta. Otro gran experimento, IceCube, diseñado para detectar neutrinos de alta energía, no registró nada similar. De hecho, nunca ha observado un neutrino con una fracción de esa energía.
Si los agujeros negros primordiales son comunes y explotan con frecuencia, ¿por qué este tipo de eventos no son más comunes? Esta discrepancia requiere una explicación.
Introducción a la “Carga Oscura”.
“Creemos que la PBH con una ‘carga oscura’, que llamamos PBH cuasi extrema, es el eslabón perdido”, dijo Joaquim Iguaz Juan, investigador postdoctoral en física en la UMass Amherst y coautor del artículo.
La “carga oscura” propuesta se comporta de manera similar a la conocida fuerza eléctrica, pero contiene una versión mucho más pesada del electrón, llamada “electrón oscuro”.
“Existen otros modelos más simples del PBH”, dice el coautor Michael Baker, profesor asistente de física en la UMass Amherst. “Nuestro modelo de carga oscura es más complejo, lo que significa que puede proporcionar un modelo más preciso de la realidad. Lo bueno es que nuestro modelo puede explicar este fenómeno que de otro modo sería inexplicable”.
“Un PBH con carga oscura”, añade Tham, “tiene propiedades únicas y se comporta de manera diferente a otros modelos de PBH más simples. Hemos demostrado que esto puede proporcionar una explicación para datos experimentales aparentemente inconsistentes”.
¿Podría esto explicar la materia oscura?
Los investigadores creen que su modelo puede hacer más que explicar un único neutrino anómalo. También puede ayudar a resolver uno de los mayores misterios de la física.
“Las observaciones de galaxias y del fondo cósmico de microondas sugieren que existe alguna forma de materia oscura”, dijo Baker.
“Si nuestra hipótesis sobre la carga oscura es cierta”, añadió Iguaz Juan, “entonces creemos que los PBH pueden tener una población significativa, lo que sería consistente con otras observaciones astronómicas y explicaría toda la materia oscura que falta en el Universo”.
Una nueva ventana al universo
“La observación de neutrinos de alta energía fue un acontecimiento increíble”, concluyó Becker. “Nos dio una nueva ventana al universo. Pero ahora podemos verificar experimentalmente la radiación de Hawking, encontrar evidencia tanto de agujeros negros primordiales como de nuevas partículas fuera del Modelo Estándar y explicar el misterio de la materia oscura”.
