En los primeros instantes tras el Big Bang, el universo era un lugar muy diferente al que conocemos hoy. No había galaxias, ni estrellas, ni planetas. Solo existía una sopa densa y caliente de partículas moviéndose a velocidades cercanas a la de la luz. Entre ese caos primigenio, nuevas investigaciones sugieren que pudo ocurrir un fenómeno clave: algunas de esas partículas extremadamente ligeras comenzaron a ralentizarse y a ganar masa. Así, pudieron haber dado lugar a una de las grandes incógnitas de la física moderna: la materia oscura.
Un reciente estudio liderado por Guanming Liang y Robert R. Caldwell, físicos de Dartmouth College, publicado en Physical Review Letters, propone una explicación sorprendente y verificable sobre cómo se formó la materia oscura. Inspirándose en fenómenos conocidos de la física de materiales —concretamente la superconductividad—, los autores han elaborado un modelo matemático que describe cómo pares de partículas sin masa se condensaron al enfriarse, dando lugar a las misteriosas partículas que hoy forman el armazón invisible del universo.
Materia oscura: el gran enigma cósmico
Sabemos que la materia oscura existe porque la vemos actuar. No directamente, claro: no emite ni refleja luz, no interacciona con el electromagnetismo. Pero sí ejerce gravedad, y esa gravedad influye en cómo se mueven las galaxias, cómo se distribuyen las estructuras cósmicas y cómo se expandió el universo en sus primeras etapas. Se estima que constituye alrededor del 85 % de la masa total del cosmos.
Sin embargo, la composición y el origen de la materia oscura siguen siendo desconocidos. Durante décadas, se ha propuesto que se trata de partículas masivas que interactúan débilmente con la materia ordinaria, conocidas como WIMPs (por sus siglas en inglés). Pero las búsquedas experimentales directas no han dado resultados concluyentes, lo que ha llevado a explorar otras ideas.
Liang y Caldwell proponen una ruta completamente distinta: no buscan nuevas partículas exóticas, sino que recurren a un marco teórico ya existente, el modelo de Nambu–Jona-Lasinio, adaptado a un escenario cosmológico. Su punto de partida es una analogía bien conocida por los físicos: la de los pares de Cooper en los materiales superconductores.
Del desorden caliente al orden frío
En el universo temprano, las partículas se movían a gran velocidad y carecían de masa apreciable. El modelo desarrollado por los autores describe cómo, al descender la temperatura, pares de fermiones de helicidad opuestacomenzaron a atraerse debido a una interacción escalar atractiva, formando un estado condensado. Esta transición se parece a lo que ocurre en algunos materiales cuando entran en un estado superconductor: los electrones, que normalmente se repelen, forman pares que pueden moverse sin resistencia.
Tal como explican en el artículo original: “El sistema sufre una transición de fase de segundo orden, y los fermiones se condensan en un estado masivo y frío como materia oscura”. Esta transformación no solo explica cómo surgió la materia oscura a partir de partículas inicialmente relativistas, sino que lo hace sin necesidad de postular nuevas entidades fuera del marco teórico actual.
Lo más notable es que este proceso deja una huella medible. El modelo predice una evolución específica de la ecuación de estado de esta nueva forma de materia, que se podría detectar en el análisis preciso del fondo cósmico de microondas (CMB) y en la estructura a gran escala del universo.
Una teoría que se puede poner a prueba
Una de las fortalezas del trabajo de Liang y Caldwell es que no se limita a una especulación teórica. Los autores explican con detalle cómo las características térmicas del sistema afectan su evolución, y cómo esta evolución podría haber dejado señales observables. Según el paper: “La predicción única del modelo es una ecuación de estado no nula y en evolución temporal,”.
Esta predicción implica que la materia oscura propuesta no se comporta de forma completamente constante a lo largo del tiempo, sino que su presión cambia ligeramente. Esa variación, aunque pequeña, podría afectar a la geometría de las oscilaciones acústicas en el fondo cósmico de microondas, y por tanto ser detectable con los instrumentos adecuados. Experimentos actuales y futuros, como el Simons Observatory o el proyecto CMB-S4, podrían proporcionar los datos necesarios para comprobar si este comportamiento encaja con lo observado.
Además, el modelo ofrece una respuesta potencial a otro problema cosmológico persistente: la tensión de Hubble, es decir, la discrepancia entre distintas formas de medir la tasa de expansión del universo. La ligera variación en la densidad de la materia oscura que predice esta teoría podría contribuir a suavizar esa diferencia.
El papel de la historia térmica del universo
Uno de los elementos más interesantes del estudio es cómo enfatiza el papel central de la evolución térmica del universo. A medida que la temperatura disminuye, las interacciones entre partículas cambian. En este caso, el sistema pasa por varias fases: desde un comportamiento relativista, como si fueran radiación, hasta una condensación en estado frío y casi sin presión.
Los autores detallan este proceso en cuatro etapas sucesivas, cada una con una ecuación de estado diferente. Esto no solo refuerza la plausibilidad del modelo, sino que permite compararlo cuantitativamente con observaciones reales. Según explican en el artículo, “la evolución de la ecuación de estado es continua y lenta, en contraste con los modelos que asumen transiciones abruptas”.
Esta progresión suave desde partículas sin masa a una materia oscura fría podría explicar la abundancia actual de materia oscura en el universo sin recurrir a ajustes artificiales ni valores finamente sintonizados.
De la superconductividad a la cosmología
La conexión con la superconductividad no es simplemente una analogía superficial. Liang y Caldwell utilizan formalismos matemáticos similares a los de la teoría BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), que describe cómo emergen los superconductores. Adaptan este enfoque al contexto cosmológico, incluyendo factores como la expansión del universo y la variación de temperatura en el tiempo.
Uno de los hallazgos más destacados del artículo es la existencia de un mínimo local del potencial efectivo a baja temperatura, que permite la formación de un “gap” energético, es decir, una separación entre el estado fundamental y los excitados. Este fenómeno es lo que estabiliza el condensado de materia oscura.
Este tipo de detalle técnico es el que permite conectar el modelo con datos concretos, como los valores actuales de la densidad de energía en el universo o la temperatura del CMB. Y es también lo que hace que esta teoría tenga potencial para ser falsable, es decir, contrastable experimentalmente.
Más allá de la materia oscura: ¿una pista sobre la energía oscura?
Curiosamente, el mismo marco teórico también ofrece una propuesta para explicar la energía oscura, responsable de la aceleración en la expansión del universo. En una variante del modelo, si las partículas tienen una masa inicial no despreciable, el sistema queda atrapado en un estado metastable, incapaz de completar la transición de fase. Este estado puede comportarse como una constante cosmológica, con una ecuación de estado negativa w=−1.
Aunque esta parte del modelo es más especulativa y difícil de verificar, abre una posibilidad fascinante: que tanto la materia oscura como la energía oscura tengan un origen común, basado en las propiedades térmicas y de simetría de un tipo especial de fermiones en el universo primitivo.
Referencias
- Guanming Liang, Robert R. Caldwell, Cold Dark Matter Based on an Analogy with Superconductivity, Physical Review Letters, vol. 134, 191004 (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.191004.
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