Materia Exótica

Materia Exótica

La materia exótica incluye dos tipos diferentes según su definición:

A.) Materia exótica en física teórica (energía negativa / masa negativa) 

B.) Materia exótica en física atómica y de partículas (átomos o estados inusuales)

 

Definición general:

El término materia exótica no tiene un único significado, sino que se usa en dos contextos principales:

A. Materia exótica teórica (relatividad / cosmología)

Materia que viola condiciones de energía en relatividad general, y que permite geometrías del espacio-tiempo como:

• agujeros de gusano atravesables,
• motores de curvatura tipo Alcubierre,
• geometrías con masa negativa.

Es materia hipotética, nunca observada.

B. Materia exótica atómica/subatómica

Átomos o sistemas de partículas formados por componentes no usuales, por ejemplo:

• electrones reemplazados por muones,
• protones reemplazados por bariones extraños,
• núcleos con hiperones,
• átomos con piones, kaones, etc.

Esta sí ha sido observada y creada en laboratorios.

 

Materia Exótica Teórica o Relativista tipo A:

Materias exóticas teóricas que violan condiciones de energía

En relatividad general existen las llamadas “condiciones de energía” que deben cumplir los fluidos normales (densidad positiva, presión positiva o moderada). La materia exótica en este sentido las viola, por ejemplo:

• densidad de energía negativa,
• presión negativa extrema,
• masa gravitacional efectiva negativa.

Masa negativa

Concepto hipotético donde:

• la masa inercial es negativa
• la masa gravitacional es negativa

Propiedades extrañas:

• Se acelera en dirección opuesta a una fuerza.
• Repulsión gravitacional entre masas positivas.
• Atrae otras masas negativas.
• Podría estabilizar agujeros de gusano
• No ha sido observada.

Energía negativa (energía cuántica del vacío)

En física cuántica, en situaciones específicas (efecto Casimir), aparece:

• regiones con energía menor al vacío → energía negativa local

Aunque real, no puede acumularse en cantidades macroscópicas.

Materia exótica para agujeros de gusano

Para mantener un agujero de gusano abierto, la relatividad general requiere:

• presión radial negativa
• densidad de energía negativa

Es decir, materia exótica tipo espaciotemporal, no atómica.

Materia exótica en motores de curvatura

El métrico de Alcubierre requiere:

• densidad de energía negativa
• materia con propiedades no físicas tradicionales

Es totalmente especulativo.

 

Materia Exótica Real tipo B:

Materia exótica real (átomos y sistemas con partículas inusuales)

Este es el tipo de materia exótica que sí existe y se ha creado en laboratorios. Incluye sistemas atómicos donde una partícula usual (como el electrón) se reemplaza por otra partícula cargada inusual.

Átomos muónicos

Son átomos en los que:

un muón (μ⁻) reemplaza a un electrón.

Como el muón es ~207 veces más masivo que el electrón:

• orbita muy cerca del núcleo,
• permite probar QED con gran precisión,
• se usa para estudiar el radio del protón.

Ejemplo: muonic hydrogen (hidrógeno muónico).

Átomos piónicos

Sistemas donde un:

• pión negativo (π⁻) reemplaza a un electrón.

Tienen vida muy corta, pero permiten estudiar la interacción fuerte a baja energía.

Ejemplo: hidrógeno piónico.

Átomos kaónicos

Átomos donde:

• kaones (K⁻) orbitan un núcleo.

Se usan para estudiar:

• la interacción fuerte en materia densa,
• la posible transición a materia de quarks.

Átomos exóticos con positrones (positronio)

El positronio es un “átomo” formado por:

• un electrón
• un positrón

Es un sistema interesante porque es totalmente leptónico.

Hiperátomos / Hipernúcleos

Son núcleos donde un nucleón es reemplazado por un:

• hiperón (Λ, Σ, Ξ) partículas que contienen quarks extraños (s).

Esto crea materia extraña a escala nuclear y es fundamental para entender las estrellas de neutrones. 

Exóticos de quarks múltiples

Incluye:

• tetraquarks
• pentaquarks
• hexaquarks
• moléculas de mesones
• diquarks enlazados

Son hadrones exóticos que no encajan en el modelo simple quark–antiquark o quark–quark–quark.

Materia exótica extraña: strange matter (Desarrollada anteriormente en el Blog como Materia Extraña)

Mencionada antes, la materia extraña (strange matter) es un tipo de materia exótica compuesto por quarks:

• up (u)
• down (d)
• strange (s)

Es importante en estrellas compactas.

Materia exótica antimateria (Desarrollada anteriormente en el Blog como Antimateria)

Átomos donde:

• protones → antiprotones
• electrones → positrones

Ejemplo: anti-hidrogeno.

 

Comparación entre los dos tipos de Materia Exótica General (Materia Exótica Teórica/Relativista & Materia Exótica Real):

En resumen, la materia exótica puede referirse a:

A) Materia Exótica Teórica o Relativista

• masa negativa, energía negativa, violación de condiciones de energía.
• necesaria para agujeros de gusano y métricas superlumínicas.
• completamente hipotética.

B) Materia Exótica Real

• átomos con muones, piones, kaones, positronio, anti-hidrogeno.
• núcleos con hiperones (materia extraña).
• hadrones exóticos (tetraquarks, pentaquarks).
• esta sí se observa en laboratorios.

Ambos usos del término son legítimos, pero se refieren a fenómenos distintos.

Tipos principales de materia exótica en astronomía y cosmología:

A) Materia no bariónica

Es aquella que no está compuesta por protones, neutrones y electrones.

Incluye:

• Materia oscura fría (WIMPs, axiones, ALPs).

• Neutrinos estériles.

• Sectores ocultos con partículas desconocidas.

Esta es la forma de materia exótica más aceptada porque explica la estructura a gran escala del universo.

B) Materia degenerada extrema (astrofísica de objetos compactos)

Surge en condiciones de altísima densidad.

Ejemplos:

• Materia degenerada electrónica (enanas blancas).

• Materia degenerada de neutrones (estrellas de neutrones).

• Materia de quarks o quark–gluon matter.

• Fase CFL (Color-Flavor Locked) y otras fases exóticas de QCD a densidades ultraaltas.

Se considera “exótica” porque no se encuentra de forma natural en la Tierra, solo en objetos compactos.

C) Materia con ecuación de estado anómala

Se refiere a materia que tiene relaciones presión–densidad no estándar.
Ejemplos teóricos:

• Materia con presión negativa, como fluidos tipo energía oscura.

• Materia con densidad de energía exótica usada en modelos de agujeros de gusano.

• Configuraciones como campos escalares auto-interactuantes.

Esta categoría es clave en teorías de cosmología modificada y en estudios sobre topologías espacio–temporales extremas.

D) Objetos compactos exóticos

Incluyen configuraciones no tradicionales:

• Agujeros negros primordiales.

• Toroides gravitacionales o “gravastars”.

• Boson stars (estrellas de bosones).

• Q-balls o solitones de campos escalares.

• Strangelets o quark nuggets.

Aunque no todos están confirmados, son soluciones matemáticas válidas de las ecuaciones físicas.

E) Defectos topológicos cósmicos

Formados durante transiciones de fase del universo temprano:

• Cuerdas cósmicas.

• Monopolos magnéticos.

• Paredes de dominio.

Son considerados materia exótica por su origen no convencional y su impacto en la evolución cósmica.

Materia exótica en relatividad general:

En relatividad general, “materia exótica” describe cualquier distribución de materia-energía que viola condiciones de energía clásicas, por ejemplo:

• Condición de energía débil (ρ ≥ 0).

• Condición de energía fuerte.

• Condición de energía dominante.

Esto aparece en:

• Modelos de agujeros de gusano atravesables.

• Warp drives teóricos (tipo Alcubierre).

• Geometrías con expansión acelerada extrema.

En estos contextos, la materia exótica puede requerir:

• Densidad negativa, 

• Presión extremadamente negativa.

Materia Extraña

La materia extraña (o strange matter) es un tipo hipotético de materia formado por quarks up (u), down (d) y strange (s) en un estado colectivo denso y estable. Se propone que podría existir en condiciones extremas de presión, como en el interior de estrellas de neutrones o en partículas exóticas llamadas strangelets.

Definición de materia extraña:

La materia extraña es un estado de materia compuesto por:

• quarks up (u)
• quarks down (d)
• quarks strange (s)

en proporciones casi iguales, formando un plasma de quarks desconfínados extremadamente denso.

Surge de la teoría de materia de quarks aplicada a densidades ultraaltas.

Origen teórico:

Deriva del modelo propuesto por Edward Witten (1984):

La materia formada por quarks u, d y s en equilibrio podría ser más estable que la materia nuclear ordinaria.

Esto convertiría a la materia extraña en un estado fundamental para grandes masas (como estrellas).

Formación y condiciones necesarias:

La materia extraña solo podría aparecer cuando la densidad es tan alta que:

• los nucleones (protones y neutrones) colapsan
• los quarks se desconfínan
• la energía es suficiente para convertir d → s

Esto ocurre probablemente en:

• el núcleo de estrellas de neutrones,
• fases tempranas del Universo,
• colisiones de estrellas compactas,
• o de forma hipotética, en laboratorios de energía extrema.

Propiedades físicas de la materia extraña:

Estados de materia extraña:

• Quark matter (materia de quarks)


• Plasma formado por quarks u y d principalmente, sin presencia requerida de quarks extraños.

• Strange matter (materia extraña)


• Versión más estable con presencia significativa de quarks s.

• CFL phase (Color-Flavor-Locked)


• Estado extremadamente denso donde los quarks de diferentes sabores están emparejados por la interacción fuerte.

Strangelets (pequeñas gotas de materia extraña):

La materia extraña puede existir en pequeñas unidades llamadas:

Strangelets

“Gotas” de materia con quarks u–d–s que podrían ser:

• estables,
• semiestables,
• o inestables según su tamaño (A > A_crit favorece estabilidad).

Su búsqueda es experimentalmente activa, pero no han sido detectados.

Materia extraña en estrellas compactas:

Es posible que algunas estrellas de neutrones realmente sean:

Estrellas de quarks extraños o Estrellas híbridas

En ellas:

• el núcleo está formado por quarks u–d–s desconfínados,
• mientras que las capas externas siguen siendo nucleares.

Estas estrellas serían más compactas y tendrían:

• radios más pequeños,
• mayor rigidez,
• límites de masa diferentes.

Estabilidad en la Hipótesis de Witten:

La hipótesis de estabilidad afirma:

• La materia extraña es la forma más estable de materia bariónica para grandes números bariónicos.

Esto significaría que:

• la materia ordinaria (de protones y neutrones) es metastable,
• y podría “convertirse” en materia extraña bajo suficiente presión.

No hay evidencia empírica, pero es un área de investigación activa. La materia extraña posiblemente estaría presente en:

• estrellas de neutrones,
• estrellas de quarks,
• colisiones astrofísicas,
• o hipotéticamente como strangelets.

No ha sido observada directamente, pero su estudio es crucial para entender la física de alta densidad, la cromodinámica cuántica (QCD) y la estructura de las estrellas compactas.

Materia Oscura

La materia oscura es uno de los mayores misterios del universo. Aunque representa aproximadamente el 27% de todo lo que existe, no podemos verla, tocarla ni detectarla con telescopios convencionales. Es, esencialmente, el "pegamento invisible" que mantiene unidas a las galaxias. 

La materia oscura es una forma de materia que no emite, absorbe ni refleja luz (radiación electromagnética). A diferencia de la materia bariónica (átomos, estrellas, planetas y nosotros), no interactúa con el campo electromagnético.

Propiedades clave:

• Invisible: No se puede ver en ninguna longitud de onda (ni radio, ni rayos X, ni luz visible).
• Masiva: Tiene una masa inmensa y ejerce una fuerza gravitacional poderosa.
• Transparente: La materia normal y la luz pasan a través de ella casi sin resistencia.

Propiedades generales físicas de la materia oscura:

Comparación de las distintas formas de materia oscura:

Posibles candidatos teóricos:

Candidatos de Materia Oscura Fría (CDM)

Son los más estudiados; se mueven lentamente y forman estructuras a gran escala.

WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles)

• Masas entre GeV y TeV.

• Interaccionan mediante fuerza débil.

• Predichas en modelos supersimétricos, teorías de dimensiones extras, modelos de Higgs extendidos.

Neutralinos

• WIMP supersimétrico por excelencia.

• Combinación cuántica de bino, wino y higgsino.

Axiones

• Propuestos para resolver el problema CP fuerte.

• Ultramasa ligeros, interacción extremadamente débil.

• Excelentes candidatos para materia oscura fría.

Axiones ultraligeros / Axiones-like particles (ALPs)

• Masas 10⁻²² eV a meV.

• Producen “ondas de materia oscura” o halos difusos.

Gravitinos

• Candidato supersimétrico con espín 3/2.

• Se comportan como CDM si su masa es grande.

WIMPzillas

• Partículas superpesadas (10¹²–10¹⁹ GeV) creadas en el universo temprano.

Materia Oscura Caliente o Tibia

Aparece cuando la velocidad térmica es más alta, suavizando estructuras pequeñas.

Neutrinos estériles

• Extensiones del modelo estándar.

• No interactúan mediante fuerzas conocidas salvo gravedad.

• Masas keV → candidatos de materia oscura tibia.

Neutrinos activos

• Son demasiado ligeros para explicar toda la materia oscura, pero contribuyen mínimamente como componente caliente.

Candidatos provenientes de teorías de campos y simetrías extendidas

Fotones oscuros (Dark photons)

• Análogos fotónicos en un sector oculto.

• Se mezclan cinéticamente con el fotón estándar.

Fermiones oscuros / leptones oscuros

• Versiones ocultas de leptones o quarks que interactúan con una fuerza oscura.

Bosones escalares ultraligeros

• Producen halos suaves y efectos de interferencia cuántica a gran escala.

Partículas de Kaluza–Klein (dimensiones extra)

• Modos excitados de campos propagándose en dimensiones espaciales compactificadas.

Estados compuestos y objetos no elementales

MACHOs (Massive Compact Halo Objects)

• Enanas marrones, agujeros negros estelares, estrellas fallidas.

• Podrían representar una fracción pequeña de la materia oscura.

Agujeros negros primordiales (PBH)

• Formados en el universo temprano, no por colapso estelar.

• Candidatos que vuelven a ser relevantes tras las detecciones de ondas gravitatorias.

Partículas compuestas oscuras

• Analogías con protones/neutrones pero en un sector oculto con su propia fuerza nuclear oscura.

Materia Oscura Exótica (modelos avanzados)

SIMPs (Strongly Interacting Massive Particles)

• Interaccionan fuertemente entre sí pero débilmente con materia ordinaria.

ELDER / SIDM (Self-Interacting Dark Matter)

• Materia oscura con auto-interacciones significativas.

• Ayuda a explicar discrepancias en halos galácticos.

FIMPs (Feebly Interacting Massive Particles)

• Interacción extremadamente débil; producidas por el mecanismo “freeze-in”.

Ultradark matter / Dark fluid models

• Descrita como un fluido con presión y viscosidad propias.

• Modelos inspirados en energía oscura unificada.

Topological defects como materia oscura

• Cuerdas cósmicas estables.

• Monopolos y paredes de dominio.

Q-balls

• Solitones no topológicos estables predichos en teorías supersimétricas y de campos escalares.

Candidatos de Materia Oscura Cuántica Macroscópica (Macros)

MACROS

• Objetos macroscópicos (desde gramos hasta toneladas).

• Hechos de materia exótica estable, como nuggets de quarks.

Strangelets / Quark nuggets

• Fragmentos de materia de quarks extraña extremadamente densa, generados en el universo temprano.

Evidencias de su existencia:

Sabemos que existe por sus efectos gravitacionales. Si solo existiera la materia que vemos, las galaxias se despedazarían.

Evidencias principales

• Rotación de las galaxias: Las estrellas en los bordes de las galaxias giran mucho más rápido de lo que deberían. Según las leyes de Newton, sin materia extra que aporte gravedad, esas estrellas saldrían disparadas al espacio.
• Lentes gravitacionales: La masa de la materia oscura es tan grande que curva la luz de galaxias lejanas que pasan cerca, actuando como una lupa cósmica.
• La estructura del universo: Las simulaciones muestran que la materia oscura actuó como "semilla", atrayendo el gas hacia ella para formar las primeras estrellas y galaxias.

Diferencia con la Energía Oscura:

Es común confundirlas, pero son opuestas:

• Materia Oscura: Atrae. Actúa como un imán gravitacional que intenta frenar la expansión del universo y mantener las estructuras unidas.

• Energía Oscura: Repele. Es una fuerza que empuja al universo a expandirse cada vez más rápido.

Experimentos actuales para detectarla:

Directos

• Xenon1T
• LUX-ZEPLIN (LZ)
• PandaX

Buscan colisiones con núcleos.

Indirectos

• AMS-02
• Fermi-LAT

Buscan productos de aniquilación.

Aceleradores

• CERN (LHC)

Busca partículas invisibles por energía faltante.

Antimateria

La antimateria es, literalmente, el "reflejo" de la materia ordinaria. Es una sustancia compuesta por antipartículas, las cuales son casi idénticas a las partículas que conocemos, pero con una diferencia en general fundamental: tienen carga eléctrica opuesta.

Si la materia y la antimateria se encuentran, ocurre el evento más energético del universo: la aniquilación, donde ambas se destruyen y se convierten en energía pura.

Las antipartículas, que contiene la antimateria tienen la misma masa que las partículas ordinarias, pero cargas cuánticas opuestas (como carga eléctrica, número bariónico o leptónico).

Es uno de los conceptos fundamentales de la física moderna y surge directamente de las ecuaciones de la mecánica cuántica relativista.

Definición:

Antimateria:

• Conjunto de objetos físicos compuestos por antipartículas, donde cada antipartícula es el socio cuántico opuesto de una partícula ordinaria.

Cada:

• fermión tiene un antifermión,
• bosón tiene un antibosón (salvo los neutros que son sus propias antipartículas).

Antipartículas básicas:

Propiedades fundamentales de la antimateria:

Formación de la Antimateria:

• La antimateria surge naturalmente:
• En reacciones de alta energía – en el LHC, rayos cósmicos, supernovas.
• Por creación de pares

γ+γ→e−+e+

• En desintegraciones radiactivas

(por ejemplo, el positrón en el PET médico).

Estructuras compuestas de antimateria:

La antimateria puede formar equivalentes de estructuras normales:

En 2010, CERN creó anti-hidrógeno estable durante varios minutos, y en 2021 se pudo medir cómo responde a la luz.

Aniquilación materia–antimateria:

Cuando una partícula y su antipartícula se encuentran, ocurre:

$$\text{partí}\text{cula}+\text{antipartí}\text{cula}<b>\to </b>\gamma +\mathrm{\gamma }(\text{energí}\text{a})$$

A diferencia de una reacción nuclear (que solo libera una fracción de la masa), en la aniquilación de materia-antimateria, el 100% de la masa se convierte en energía (fotones de rayos gamma).

Antimateria en el Universo:

Observación cosmológica indica:

• El Universo es casi 100% materia.
• La cantidad de antimateria libre es extremadamente pequeña.
• Se desconoce por qué no hay partes del cosmos dominadas por antimateria.

Este problema es conocido como:

El Problema de Bariogénesis / Asimetría materia–antimateria

 

Usos de la antimateria:

Uso	Aplicación
Medicina	Tomografía por Emisión de Positrones (PET)
Física fundamental	Estudios en CERN sobre CPT, gravedad, espectros atómicos
Futuras tecnologías	(hipotéticas) Propulsión de naves mediante aniquilación

Materia Ordinaria

La materia ordinaria es el tipo de materia que compone todo lo que observamos directamente en el Universo y cuya existencia está bien establecida por la física experimental moderna. La materia ordinaria (técnicamente llamada materia bariónica) es todo lo que conocemos, vemos y tocamos. Es el material que compone desde una célula de un organismo o un átomo de una sustancia hasta las estrellas más lejanas.

Es cualquier sustancia que tiene masa y volumen, y que está formada principalmente por átomos. A diferencia de la materia oscura, la materia ordinaria interactúa con la fuerza electromagnética, lo que significa que puede emitir, absorber o reflejar luz, permitiéndonos detectarla directamente.

A pesar de ser lo único que vemos, solo representa aproximadamente el 5% de la densidad total del universo.

Interacciones de la materia ordinaria:

La Materia ordinaria interactúa mediante las siguientes fuerzas:

• interacción electromagnética,
• interacción fuerte,
• interacción débil,
• y gravitación.

La materia emite, absorbe o refleja luz, por lo que es observable con instrumentos astronómicos y de laboratorio.

Composición fundamental de la materia ordinaria:

Partículas elementales constituyentes

Tipo	Partículas
Quarks	up (u), down (d)
Leptones	electrón (e⁻), neutrinos
Bosones mediadores	fotón, gluones, W±, Z⁰
Bosón escalar	bosón de Higgs

Materia hadrónica

Los quarks no existen libres; se combinan para formar hadrones:

Tipo	Ejemplos
Bariones	protón, neutrón
Mesones	piones, kaones

Átomos y estructuras mayores

Nivel	Composición
Átomo	Núcleo (protones + neutrones) + electrones
Molécula	Conjunto de átomos enlazados
Materia macroscópica	Sólidos, líquidos, gases, plasma

Propiedades esenciales de la materia ordinaria:

Propiedad	Descripción
Tiene masa	Debido principalmente a la energía de enlace de los quarks y al Higgs
Carga eléctrica	Puede ser positiva, negativa o neutra
Interacción electromagnética	Permite química, luz y estructura
Interacción fuerte	Mantiene unidos núcleos atómicos
Interacción débil	Responsable de decaimientos radiactivos
Gravedad	Contribuye a estructuras cósmicas

Materia ordinaria vs otras formas de materia:

Tipo de materia	¿Interactúa con luz?	Estado
Materia ordinaria	Sí	Confirmada
Antimateria	Sí	Confirmada
Materia oscura	No	Inferida
Materia exótica	Variable	Hipotética

Estados de la Materia Ordinaria

La materia ordinaria se manifiesta en diferentes estados dependiendo de la energía (temperatura y presión) a la que esté sometida, algunos de estos son:

• Sólido: Átomos estrechamente unidos en estructuras fijas.
• Líquido: Átomos con suficiente energía para fluir pero manteniendo cercanía.
• Gaseoso: Átomos con alta energía que se mueven libremente y ocupan todo el espacio disponible.
• Plasma: El estado más común en el universo (estrellas). Los átomos están tan calientes que los electrones se separan de los núcleos, creando un gas ionizado conductor de electricidad.

Fracción en el Universo:

Según mediciones cosmológicas actuales:

Componente del Universo	Porcentaje aproximado
Materia ordinaria (bariónica)	~5 %
Materia oscura	~27 %
Energía oscura	~68 %

Origen: La Nucleosíntesis:

Casi toda la materia ordinaria que existe hoy se originó en dos etapas:

• Big Bang: En los primeros minutos se formó el Hidrógeno aproximadamente 75% y el Helio aproximadamente 25%.
• Nucleosíntesis Estelar: El resto de los elementos de la tabla periódica (Carbono, Oxígeno, Hierro) se "cocinaron" dentro de las estrellas o en explosiones de supernovas.