💥 Materia oscura: una nueva pista procedente del Universo primitivo

La materia oscura constituye uno de los grandes misterios de la cosmología moderna. Invisible pero omnipresente, modela la formación de las galaxias y la estructura del Universo únicamente mediante su gravedad. Aunque se acepta que sería una partícula, al igual que el quark o el electrón, varias décadas de investigaciones experimentales no han logrado, hasta ahora, ninguna observación directa.

Una nueva pista teórica, desarrollada por Yann Mambrini, investigador del IJCLab y sus colaboradores, propone hoy revisar en profundidad el escenario de nacimiento de la materia oscura, situándola en el corazón de las primeras fracciones de segundo del Universo.


La colaboración entre el IJCLab y la Universidad de Minnesota presentó su teoría "UFO", por Ultra-relativistic Freeze-Out en diciembre de 2025 en la revista Physical Review Letters. Para comprenderla, hay que volver sobre los acontecimientos que estructuraron el Universo Primitivo, es decir, los misteriosos primeros instantes del Universo.

Según las teorías más convincentes, el Universo habría experimentado una fase de inflación espectacular entre 10^-36 y 10^-33 segundos después del Big Bang, durante la cual el Universo se habría hinchado por un factor de al menos 10²⁶. La inflación habría dado lugar a la formación de un plasma primordial, baño térmico del cual habrían emergido la mayoría de las partículas del Universo.

Es en este plasma inicial donde los científicos sitúan generalmente la producción de la materia oscura, supuestamente "fría" y generada en equilibrio térmico con la materia ordinaria. La energía del plasma produciría materia oscura en cantidades iguales a esta materia observable, hasta que la producción de materia oscura se desacoplara cuando la energía del plasma ya no fuera suficiente para producir ambas.

Esta hipótesis es seductora para los teóricos en la medida en que predice una materia oscura a la vez suficientemente fría (y por tanto estática) para ofrecer una estructura a las grandes formaciones cósmicas, al tiempo que es menos densa que la materia ordinaria.

Los famosos WIMPs (partículas masivas de interacción débil), partículas masivas que interactuarían con la materia ordinaria a través de la interacción débil, se basan en este esquema. Pero, tras décadas de búsqueda, la persistente ausencia de señal en los experimentos de detección directa tiende a debilitar esta hipótesis. "A lo largo de las décadas, los experimentos han ampliado las zonas de exclusión hasta hacer muy improbable la existencia de WIMPs", precisa Yann Mambrini. Esta tensión nos motiva a cambiar nuestra mirada sobre los mecanismos de producción de la materia oscura y en particular su temporalidad".

Esto es precisamente lo que propone la teoría UFO elaborada por este equipo. Sugiere que la materia oscura se habría generado muy pronto, incluso antes de que se formara el plasma inicial, por desintegración de los inflatones, partículas hipotéticas que serían responsables de la inflación brusca del Universo. Esta materia sería inicialmente "ultrarelativista", es decir, muy caliente y extremadamente rápida, pero su energía se habría diluido inmediatamente por la expansión brutal del Universo primitivo.

Como resultado, se habría enfriado casi instantáneamente, volviéndose compatible con la formación de las grandes estructuras cósmicas. "La materia que proponemos es más caliente, pero se diluye tan rápido que pierde su energía mucho antes de lo que imaginábamos, recorriendo muy poca distancia, lo que permite que las galaxias se formen a su alrededor", detalla Yann Mambrini.

Los mecanismos de formación de esta materia oscura "UFO" constriñen las propiedades físicas de las partículas que podrían corresponderle. Más ligeras que los WIMPs tradicionales, con masas del orden del MeV, las partículas propuestas por esta teoría conservarían un acoplamiento no despreciable con la materia ordinaria, a través de la interacción débil, a diferencia de los escenarios llamados "FIMP" (Feebly Interacting Massive Particles), en boga desde hace varios años pero cuyas interacciones extraordinariamente débiles no permitían observaciones.

Feliz casualidad: la masa y el rango de interacción de estas partículas permitirían su detección por algunos dispositivos de detección de materia oscura en curso o en proyecto. "Después de haber pasado varios años estudiando el vínculo entre la formación del plasma primordial y la materia oscura, el hecho de que nuestro resultado sea a la vez coherente y comprobable experimentalmente es extremadamente estimulante", se felicita Yann Mambrini.

Entre los experimentos candidatos, se piensa especialmente en XENON, en funcionamiento desde hace varios años, DAMIC-M, cuyo prototipo está actualmente en acción, o TESSERACT, que se instalará dentro de unos años en el LSM. Un ajuste de los parámetros de estos experimentos bastaría para ir a la caza de estos prometedores "UFO".

A más largo plazo, incluso podría contemplarse la producción directa de partículas tipo UFO en los aceleradores de partículas, mediante la búsqueda de firmas de energía faltante. Un trabajo experimental que por sí solo sería capaz de validar esta teoría, o de refutarla, como muchos modelos de materia oscura antes que ella.