Una “partícula fantasma” increíblemente poderosa que recientemente se estrelló contra la Tierra podría provenir de un tipo raro de agujero negro en explosión, afirman los investigadores. De ser cierto, el extraordinario evento podría confirmar una teoría que podría revolucionar nuestra comprensión de la física de partículas y la materia oscura, argumenta el equipo. Sin embargo, esta es solo una teoría, y no hay evidencia directa que confirme que esto fue realmente lo que ocurrió.
A principios de 2023, los investigadores del Telescopio de Neutrinos de Kilómetros Cúbicos (KM3NeT), un enorme conjunto de sensores recién construido en el fondo del mar Mediterráneo, detectaron un neutrino, una partícula fantasmal que casi no tiene masa y no interactúa fácilmente con la mayor parte de la materia.
Además de la rareza típica de los neutrinos, esta partícula en particular destacó por su inusual intensidad. Impactó nuestro planeta con una energía estimada de hasta 220 cuatrillones de electrón-voltios, lo que supone al menos 100 veces más potencia que cualquier otro neutrino detectado hasta la fecha y unas 100.000 veces mayor que cualquier otro observado en aceleradores de partículas artificiales, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.
Explicando lo imposible
Inicialmente, los investigadores no estaban seguros de qué causó la aparición de este neutrino “imposible”. Es posible que se originara cuando un rayo cósmico entró en la atmósfera terrestre, liberando una cascada de partículas de alta energía que cayeron sobre la superficie del planeta. Sin embargo, su poder sin precedentes llevó a los expertos a suponer que debió originarse a partir de algún evento cósmico de alta energía que no comprendemos del todo.
En el nuevo artículo, que ha sido aceptado para su publicación en la revista Physical Review Letters, un grupo de investigación cree haber identificado finalmente lo que realmente dio origen al neutrino: un agujero negro primordial en explosión (PBH).
Los PBH son una clase hipotética de agujeros negros extremadamente pequeños —que podrían tener desde el tamaño de un átomo hasta la cabeza de un alfiler— y que probablemente datan de los primeros momentos tras el Big Bang. El concepto fue popularizado por primera vez por el físico británico Stephen Hawking a principios de la década de 1970, quien también insinuó que estas singularidades en miniatura emitirían grandes cantidades de partículas de alta energía, denominadas radiación de Hawking, al evaporarse lentamente. En teoría, esto también significaría que tienen la capacidad de explotar.
“Cuanto más ligero sea un agujero negro, más caliente debería estar y más partículas emitirá”, declaró Andrea Thamm, física teórica de la Universidad de Massachusetts Amherst y coautora del estudio. “A medida que los PBH se evaporan, se vuelven cada vez más ligeros y, por lo tanto, más calientes, emitiendo aún más radiación en un proceso descontrolado hasta la explosión”.
Uno de los mayores misterios en torno al neutrino imposible, además de su inmenso poder, es que no fue observado por otros detectores de neutrinos del mundo, como el Observatorio de Neutrinos IceCube, enterrado bajo la superficie helada de la Antártida. Dado que se supone que los PBH son bastante comunes en todo el universo, cabría esperar razonablemente que partículas de potencia similar también se hubieran detectado antes o después de este posible descubrimiento, especialmente dado el rápido aumento del número de detectores de neutrinos.
Los investigadores dijeron que esto se debe a que el neutrino fue emitido por un tipo especial de PBH, llamado PBH cuasi-extremo, que tiene una “carga oscura”, una versión de la fuerza eléctrica regular que incluye una versión hipotética muy pesada del electrón llamada “electrón oscuro”.
Las propiedades oscuras de este tipo teórico de PBH hacen menos probable la detección de las explosiones de estos agujeros negros, sugirieron los investigadores. También es posible que algunos de los neutrinos menos potentes detectados hasta la fecha sean detecciones parcialmente incompletas de estos eventos, añadieron.
“Un PBH con carga oscura posee propiedades únicas y se comporta de forma diferente a otros modelos de PBH más simples”, afirmó Thamm. “Hemos demostrado que esto puede explicar todos los datos experimentales aparentemente inconsistentes”.
Trastocando la comprensión cósmica
Si bien la nueva investigación sugiere la existencia de PBH cuasi-extremos, no los confirma ni prueba que exploten como creen los investigadores. Los PBH regulares tampoco se han observado directamente, aunque existe un fuerte consenso sobre su existencia.
Sin embargo, el equipo confía en que no tardará mucho en demostrar la realidad de estas explosiones oscuras. El mismo grupo de investigación predijo recientemente que existe un 90% de probabilidades de presenciar la primera explosión de PBH cuasi-extrema para 2035, lo cual sería sumamente emocionante por dos razones principales.
En primer lugar, estas explosiones serían tan poderosas que probablemente emitirían “un catálogo definitivo de todas las partículas subatómicas existentes”, incluyendo entidades conocidas, como el bosón de Higgs; partículas teorizadas, como los gravitones o los taquiones que viajan en el tiempo; y “todo lo demás que es, hasta ahora, completamente desconocido para la ciencia”, escribieron los investigadores en la declaración.
En segundo lugar, estos agujeros negros podrían ayudar a revelar la misteriosa identidad de la materia oscura: esa sustancia invisible que no podemos ver, pero cuya fuerza gravitacional podemos detectar en casi todas las galaxias observadas, incluida la Vía Láctea. Los investigadores escribieron que los agujeros negros casi extremos “podrían constituir toda la materia oscura observada en el universo”, por lo que encontrar uno podría ayudar a resolver este misterio. A pesar de sus nombres similares, la materia oscura no está directamente relacionada con la carga oscura ni con los electrones oscuros.
Los investigadores, junto con varios otros equipos en los campos de la física y la cosmología, ahora contienen la respiración para ver cuándo se podrá detectar la primera explosión.
Este “increíble evento” proporcionaría una “nueva ventana al universo” y nos ayudaría a “explicar este fenómeno de otro modo inexplicable”, dijo en el comunicado el autor principal del estudio, Michael Baker, físico teórico de UMass Amherst.
Fuente: Live Science.