CMB-S4 sondeará la física fundamental del lado oscuro del Universo, produciendo información sobre componentes oscuros que son difíciles, o incluso imposibles, para nosotros de observar directamente. Los sondeos del Universo oscuro posibilitados por CMB-S4 incluyen búsquedas exhaustivas de nuevas partículas, mediciones que garantizarán la respuesta a preguntas abiertas acerca del Modelo Estándar de la física de partículas, y estudios exploratorios de la misteriosa naturaleza de la materia oscura y la energía oscura.
Un objetivo clave de CMB-S4 será el buscar nuevas partículas, reliquias de baja masa del Big Bang, más allá de las partículas conocidas en el Modelo Estándar de la física de partículas. Si bien estas partículas pueden haber dejado de interactuar con, o haberse desacoplado de, fotones y otras partículas conocidas a medida que el Universo se enfrió, tales reliquias de luz contribuirían a la densidad de energía en el Universo y cambiarían la tasa de expansión del Universo. CMB-S4 será capaz de detectar la existencia de partículas de luz relictas que contribuyen en menos de uno por ciento a la energía total de partículas relativistas presentes en el Universo temprano. Los experimentos actuales del CMB, como el satélite Planck, detectarían partículas relictas de luz que dejaron de interactuar con las partículas del Modelo Estándar después de los primeros 50 microsegundos de ocurrido el Big Bang Caliente. Con CMB-S4 haremos retroceder esta frontera en más de un factor de 10.000, a fracciones de nanosegundo. CMB-S4 es el único experimento en el horizonte que detectará partículas que se desacoplaron mucho antes de la transición de fase quark-hadrón (la época en que el Universo se enfrió lo suficiente como para que los quarks quedaran atrapados en hadrones como neutrones y protones). Los neutrinos son un ejemplo de una reliquia de luz conocida que se desacopló cuando la temperatura del Universo era de alrededor de 1 MeV (la diferencia de masa entre protones y neutrones); el efecto de los neutrinos sobre el CMB ya se ha detectado que es significativo. CMB-S4 será capaz de detectar cualquier partícula que se desacopló a energías de 1-100 GeV (el umbral de energía exacto depende del spín de la partícula). Las mediciones de CMB-S4 serán un gran avance en nuestra comprensión del contenido de partículas y la historia térmica de nuestro Universo.
CMB-S4 podrá responder a la pregunta desconocida de las masas de neutrinos en el Modelo Estándar midiendo la masa sumada de las tres especies de neutrinos. Junto con los experimentos terrestres, esta medición puede ayudarnos a entender por qué los neutrinos tienen masa. Esa masa es uno de los mayores misterios del Modelo Estándar de la física de partículas. Cuando se combinan con datos de oscilación de neutrinos, una medición CMB-S4 de la masa sumada de neutrinos determinará inequívocamente la escala de masa absoluta de neutrinos. Si la suma está por debajo de un cierto umbral, CMB-S4 descartará el orden de masa invertido (2 especies de neutrinos más pesadas y 1 más ligera, en comparación con 2 más ligeras y 1 más pesada). Cuando se combinan con experimentos de doble desintegración beta sin neutrinos, las observaciones cosmológicas de CMB-S4 podrán ayudar a distinguir si los neutrinos son partículas de Majorana (sus propias antipartículas) o partículas de Dirac (no es su propia antipartícula, como todas las demás partículas fermónicas en el Modelo Estándar). CMB-S4 también puede descubrir evidencia de física desconocida en el área de los neutrinos. Como mínimo, encontrará evidencia de la masa de neutrinos incluso para la suma de masa más baja compatible con los datos de oscilación de neutrinos. Los observables clave para esta medición son mapas de la distribución de la materia inferida de la temperatura del CMB afectada por el lente gravitacional y las anisotropías de polarización, correlaciones cruzadas de estos mapas con conjuntos de datos externos de estudios de galaxias y mediciones de la abundancia de cúmulos de galaxias.
La materia oscura y la energía oscura son enormes misterios actuales. Por un lado, tenemos una amplia gama de observaciones astronómicas y cosmológicas que predicen estos misteriosos componentes oscuros. Por otro lado, aún no hemos observado ni materia oscura ni energía oscura en el laboratorio y por lo tanto su naturaleza fundamental se nos escapa. CMB-S4 probará una serie de modelos distintos para la materia oscura y la energía oscura. Los mapas de la distribución de la materia en los últimos tiempos a partir de la lente gravitacional de los fotones CMB, junto con los mapas del gas caliente en los cúmulos de galaxias inferidos de la dispersión de los fotones CMB, pondrán a prueba la evolución de la estructura de nuestro Universo y, por lo tanto, las predicciones de diferentes modelos de energía oscura. CMB-S4 restringirá un fenómeno conocido como birrefringencia cósmica, una rotación de la polarización CMB por nuevos campos escalares que impregnan nuestro Universo, limitando potencialmente la microfísica de la energía oscura. Finalmente, CMB-S4 puede probar modelos de materia oscura que son inaccesibles para los experimentos de laboratorio. En particular, las observaciones del CMB investigan directamente la física de la materia oscura en todo nuestro Universo y a lo largo de la historia cósmica, y a diferencia de los experimentos de detección directa, no se basan en suposiciones sobre la distribución local de la materia oscura en las cercanías de la Tierra. CMB-S4 puede colocar límites en una variedad de escenarios, incluida la materia oscura que interactúa con bariones o con radiación oscura, o que consiste en partículas similares a axiones ultraligeros.
CMB-S4 detectará posibles candidatos a materia oscura de más de 33 órdenes de magnitud en masa, desde axiones ultraligeros a menos de 10-24 eV hasta partículas masivas a escala GeV. Esta figura muestra las siete clases de las principales de pruebas, codificadas por colores indicando qué observaciones contribuyen a la dicha prueba:
- “Modos B” (“B-modes) se refieren a las observaciones de la polarización del modo B del CMB.
- “Lente CMB” (“CMB lensing”) se refiere a las mediciones de la lente gravitacional del CMB.
- “CMB primario” (Primary CMB”) se refiere a las mediciones de los espectros de potencia del CMB.
- “CMB Bajo-l” (“Low-l CMB”) se refiere a las mediciones de los espectros de potencia de CMB a escala de grados o escalas angulares más grandes (l < 200).
- “Modulación CMB” (“CMB modulation”) se refiere a una modulación temporal de los fotones CMB que sería inducida por un acoplamiento con axiones.