Segons la nova teoria, proposada pels físics teòrics de Corea del Sud, la matèria fosca va néixer de les boles de Fermi, "bosses" quàntiques de partícules subatòmiques que es van embalar en denses "butxaques" durant l'alba de l'univers. Aquesta teoria afirma explicar el fet per què la matèria fosca va començar a dominar a l’Univers sobre la matèria ordinària i visible.
Els físics teòrics del Centre de Física Teòrica de la Universitat Nacional de Seül, a Corea del Sud, han suggerit que la misteriosa i esquiva matèria fosca pot estar composta per les anomenades boles de Fermi que queden del Big Bang. Van publicar el seu article al lloc de preimpressió electrònica arXiv.org.
Les boles de Fermi són hipotètics objectes cosmològics que podrien aparèixer en les condicions de l’univers més antic a causa del trencament espontani de la simetria i de la posterior transició de fase. No s’han de confondre amb les bombolles de Fermi, estructures gegants de la Via Làctia que porten el nom del telescopi de raigs gamma Fermi i que es formen per l’activitat del forat negre supermassiu central.
La matèria fosca és una substància misteriosa que només interactua amb la matèria ordinària a través de la gravetat i no interactua amb la llum. Hi havia una vegada que es van plantejar hipòtesis segons les quals la matèria fosca pot consistir en petits forats negres que impregnen l’Univers, però les estimacions numèriques exclouen aquesta possibilitat: el nombre d’aquests forats negres, així com els forats negres de massa estel·lar, és massa petit per convergir el "pressupost de l'Univers", conegut per diverses dades experimentals (de l'observatori espacial de Planck, a partir d'observacions de supernoves, etc.): només hi hauria d'haver un 5% de matèria ordinària (bariònica), un 27% de foscor matèria i 68% d’energia fosca. En tota la història de l'Univers, no s'han format tantes estrelles que, després de la seva mort, van donar lloc a un nombre suficient de forats negres, la massa dels quals explicaria tota la quantitat de matèria fosca disponible. De moment, la teoria de la matèria fosca freda es considera estàndard i els candidats més probables al paper de les seves partícules constituents són els WIMP encara no detectats, partícules massives que interaccionen poc.
Segons la nova teoria, els buscats forats negres podrien haver sorgit a partir de boles de Fermi o de "bosses" quàntiques de partícules subatòmiques (fermions) que es barrejaven en denses "butxaques" durant l'origen de l'Univers. Aquesta teoria afirma explicar el fet per què la matèria fosca va començar a dominar a l’Univers sobre la matèria ordinària i visible.
"Hem trobat que, en alguns casos, les boles de Fermi podien estar tan ben empaquetades que els fermions que hi havia eren massa a prop l'un de l'altre, cosa que va provocar que la bola de Fermi es col·lapsés i la convertís en un forat negre", va dir un investigador del Centre per a Física teòrica a la Universitat Nacional Ke-Pan Se de Seül en una entrevista amb Live Science.
Xie i el seu company Kiyoharu Kavanagh del mateix Centre de Física Teòrica van desenvolupar un escenari que explicava com la matèria fosca va començar a dominar l’espai. En un moment en què l’Univers era a menys d’un segon, s’hi produïen increïbles transformacions de les lleis físiques. Les partícules van caure en trampes, unint-se a estructures tan compactes que només podien col·lapsar i convertir-se en forats negres. Llavors aquests forats negres van omplir tot l'Univers, proporcionant el mateix "pressupost" establert per mètodes experimentals: el clar domini d'altres dos components encara indetectables sobre la matèria bariònica ordinària.
Els forats negres, com la matèria fosca, no emeten llum, de manera que, en principi, poden esdevenir una font de massa oculta. "Com que els forats negres són objectes compactes i no lluminosos, els seus candidats a la matèria fosca haurien de ser considerats de la manera més natural", diu Xie.
Les condicions extremes que hi havia a l’univers més antic permeten canvis en els processos físics que ja són impossibles en les condicions normals de l’espai modern. El primer ingredient de la nova teoria és un camp escalar, com el camp de Higgs, que impregna tot l’espai i dóna a les partícules la seva massa. A mesura que l’univers es va expandir i refredar, aquest camp escalar va passar per una transició de fase, passant a un altre estat mecànic quàntic. Aquesta transició de fase no va afectar simultàniament tot l'Univers alhora. Inicialment, només apareixien zones separades, en què la transició ja havia començat, i tot es va estendre encara més, semblant a com l’aigua bull en una cassola, formant bombolles cada vegada més grans. "Aquest procés s'anomena transició de fase de primer ordre: l'aigua passa d'una fase líquida a un estat gasós, però inicialment el gas només apareix en forma de bombolles creixents", va explicar Ce.
El nou estat del camp escalar, que ara esdevé l’estat fonamental, s’estén des d’aquests punts semblants a un raig de bombolles bullents. Finalment, les bombolles es fusionen completament entre elles i el camp escalar completa la seva transició de fase.
No obstant això, per crear forats negres primordials, que són matèria fosca, Xie i Kavanagh necessitaven un altre ingredient. Van afegir un nou tipus de fermió al seu model. Els fermions són partícules amb espín mig enter, que inclouen electrons, protons i neutrons que formen tots els àtoms ordinaris.
Al primer univers, aquests fermions es movien lliurement en un camp escalar, però no podien penetrar les petites "bombolles" escumoses del nou estat fonamental del cosmos durant la transició de fase descrita anteriorment. A mesura que creixien les bombolles, els fermions s’acumulaven a les butxaques restants, convertint-se en boles de Fermi. No obstant això, hi havia una força addicional que actuava entre aquests fermions, coneguda com la interacció de Yukawa, causada pel mateix camp escalar proposat pels teòrics de Corea del Sud en el seu article. Els fermions solen evitar caure en el mateix estat quàntic i en petits volums, però el camp escalar els va afegir la força d’interacció que va suprimir aquesta repulsió natural. Diguem que els protons i els neutrons estan formats per partícules encara més petites anomenades quarks. Els quarks també són fermions, evitant caure en el mateix estat, però la força nuclear addicional (forta interacció) els uneix. Un anàleg de tal força és la interacció de Yukawa que actua en el model Se i Kavanagh.
Segons la teoria sud-coreana, un cop finalitzada la transició de fase, es va segellar el destí de les boles de Fermi. Exprimits en petites "butxaques" de l'univers que canvia ràpidament, els grups de fermions es van esfondrar catastròficament, formant un gran nombre de diminuts forats negres. Aquests forats negres van sobreviure al final de la transició de fase i van omplir l'Univers en forma de matèria fosca.
