La búsqueda de la materia oscura gracias a PAMELA

PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light Nuclei Astrophysics) es un satélite que  lleva 5 años orbitando la Tierra y recopilando datos sobre la antimateria (positrones (antielectrones) y antiprotones). Su objetivo primordial es identificar si esta antimateria tiene su origen en la desintegración (aniquilación) de la materia oscura del universo. También pretende estudiar las fuentes de antihelio (restos de antimateria primordial), ciertos rayos cósmicos pesados (núcleos ligeros y sus isótopos), la física solar, la modulación solar de los rayos cósmicos, así como la magnetosfera terrestre. PAMELA es capaz de detectar antiprotones con energías en el rango de 80 MeV a 180 GeV, positrones entre 100 MeV y 300 GeV, electrones hasta 600 GeV, protones hasta 1 TeV, núcleos ligeros (He/Be/C) hasta 200 GeV/n, y calorímetros para detectar fotones debidos a la desintegración electrón-positrón de hasta 2 TeV. PAMELA es ideal para identificar fuentes que producen múltiples tipos de rayos cósmicos. Se espera que PAMELA finalice su misión a finales de 2011 (mucho más allá de los 3 años para los que fue diseñada la misión). Tomando datos desde el 11 de julio de 2006, lleva unos 1700 días en los que ha acumulado 26 TBytes. Nos lo cuentan Mirko Boezio (INFN Trieste, Italia), On behalf of the PAMELA collaboration, “Cosmic-Ray Measurements with the PAMELA Space-Borne Experiment,” 7th  TeVPA, Stockholm, August 1st, 2011, y Emiliano Mocchiutti (INFN - Trieste), On behalf of the PAMELA collaboration, “PAMELA: Electrons and Positron Spectra Measurement in the Cosmic Rays,” 7th  TeVPA, Stockholm, August 1st, 2011.

PAMELA es famosa por haber observado un exceso de positrones en los rayos cósmicos, pero no de antiprotones (se han observado unos diez mil positrones, pero el exceso se observa en los de energía mayor de 20 GeV, solo unos 200). Hay explicaciones astrofísicas para dicho exceso: la presencia de púlsares jóvenes cercanos. Sin embargo, el único que ha sido observado es Geminga (PSR J0633+17), un púlsar invisible en ondas de radio identificado en el espectro visible como una estrella azul muy tenue de magnitud +25,5. Como no se conoce ningún otro púlsar de estas características, la explicación astrofísica ha sido puesto en duda por ciertos científicos que prefieren interpretar que la materia oscura es responsable de este exceso de positrones.

La hipótesis de que el exceso de positrones observado por PAMELA es debido a la desintegración de partículas de materia oscura encuentra el problema de que no ha sido observado ningún exceso de antiprotones. Por ejemplo, una partícula de materia oscura tipo WIMP con una masa de 150 GeV, que se desintegra de forma preferente en un par de bosones W, como podría ser un wino supersimétrico, explica muy bien el exceso de positrones, pero tiene el grave problema de la ausencia de antiprotones. Para que una partícula de este tipo explique ambos resultados se requiere que se masa sea del orden de 10 TeV, mucho más allá de lo razonable para explicar la materia oscura del universo.

Por supuesto, hay maneras de explicar las observaciones de PAMELA utilizando candidatos a materia oscura adecuados. Por ejemplo, una partícula WIMP con una masa 1 TeV que se desintegre preferentemente en pares de muones y/o electrones, como muestra la figura de arriba, podría explicar los resultados de forma estupenda. La desintegración tendría que estar mediada por una partícula intermedia. De manera similar se pueden proponer otras opciones, pero todas tienen algo de “antinatural,” lo que hace que los resultados de PAMELA sean paradójicos para mucha gente.

En mi opinión, no soy experto, la explicación que me parece más razonable es la explicación astrofísica. No soy el único, aunque los límites actuales aún son insuficientes para confirmar esta hipótesis; ver por ejemplo la charla de Jesús Zavala Franco (CITA National Fellow, University of Waterloo, Canada), “The cosmic X-ray and gamma-ray background from dark matter annihilation,” 7th  TeVPA, Stockholm, August, 2011 [ArXiv paper, Phys. Rev. D paper].

Habrá que esperar los primeros resultados de AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS) por el transbordador espacial Endeavour (misión STS-134). AMS-02 explora regiones de energía mucho más allá de las asequibles para PAMELA, lo que permitirá extender la región de energías en lsa que se ha observado el exceso de positrones. Más información en la charla de Stefan Schael (RWTH Aachen University), “Status of the AMS-02 Experiment on the ISS,”  7th  TeVPA, Stockholm, August 1st, 2011.

Un nuevo método para detectar agujeros negros en colisión utilizando el satélite Chandra de rayos X

La galaxia SDSS J171544.05 600.835,7 ha sido observada por el satélite Chandra de Rayos-X revelando detalles que apuntan a la colisión de dos superagujeros negros en su interior. El número de eventos (rayos X con energía en el rango 0,5 a 8 keV) observados es muy pequeño, pero suficiente para obtener una imagen suavizada (mediante un filtro gaussiano) que muestra lo que parecen ser los núcleos activos (AGN) de dos galaxias en colisión . La imagen óptica del SDSS (Sloan Digital Sky Survey) de esta galaxia no tiene resolución suficiente para separar ambas galaxias y a simple vista no parece que se trate de una colisión galáctica de dos AGN. De hecho, uno de los autores del estudio, Brian Gerke (BNL) afirma que no se puede asegurar al 100% de que se trate de dos agujeros negros en colisión, pero es la hipótesis más razonable. El equipo de investigación está estudiando todo el catálogo SDSS mediante un nuevo método de análisis que busca señales de agujeros negros en colisión; parece ser que ya han encontrado nuevos candidatos en dicho catálogo, pero que aún no han sido estudiados por Chandra. El estudio de agujeros negros en colisión mutua a punto de fusionarse permitirá verificar las leyes termodinámicas de los agujeros negros de Bekenstein y Hawking. Mientras no se detecten por primera vez las ondas gravitatorias (la señal más característica de este tipo de colisiones), las señales de rayos X de Chandra son una de las pocas opciones disponibles. El artículo técnico es Julia M. Comerford, David Pooley, Brian F. Gerke, Greg M. Madejski, “Chandra Observations of a 1.9 kpc Separation Double X-ray Source in a Candidate Dual AGN Galaxy at z=0.16,” ArXiv, 3 Jun 2011 (DOI en ApJL). Me he enterado gracias a Lori Ann White, “KIPAC Researchers Track Binary Black Holes,” SLAC News Center, August 2, 2011.

Problemas criogénicos en el experimento CMS del LHC en el CERN, oficialmente ya resueltos

La inyección de haces estables más duradera en el LHC del CERN se logró ayer, fill #2000, estable durante 21:32 horas, aunque con problemas criogénicos en el experimento CMS. Con una luminosidad instantánea de 2 nb/s, ATLAS, el otro gran experimento del LHC, logró grabar en disco 90,4 /pb de colisiones. La noticia en el CERN sobre el fill #2000 aclara que CMS tuvo problemas en el sistema de refrigeración por agua que fueron resueltos sobre las 19:30 horas, por lo que no pudo tomar datos entre las 11:45 y las 02:30. Por ello, aunque el punto de colisión de CMS recibió unos 52,8 /pb de colisiones (como indica la figura que abre esta entrada), solo se pudo acumular en disco unos 25 /pb, algo es algo. Que yo sepa, oficialmente los problemas de CMS están resueltos. En las dos inyecciones siguientes, #2001 y #2002, ambas cortas, CMS no ha presentado nuevos problemas. Habrá que estar al tanto para futuras inyecciones largas, pues una figura como la que abre esta entrada (pero sin los problemas de CMS) debe ser el objetivo a lograr para el día ideal de colisiones en el LHC del CERN durante 2011. Lograr más de 100 /pb cada 24 horas en ATLAS y CMS es el objetivo a conseguir. Yo no tengo dudas que será conseguido pronto. Noticias diarias sobre el LHC. Philip Gibbs, “LHC delivers over 100/pb in 24 hours,” viXra log, también se hace eco del exitoso fill #2000 para ATLAS.

El secreto de la superconductividad a alta temperatura en cupratos

No, yo no atesoro el secreto. Lo siento. Nadie conoce aún el secreto de la superconductividad de alta temperatura en cupratos (compuestos de óxido de cobre), descubierta hace 25 años. Sin embargo, dos artículos recientes, uno en Nature y otro en Science, apuntan a que el secreto está en explicar el diagrama de fase electrónica genérico para los cupratos mostrado en la figura de arriba. Los jóvenes que sueñen con desvelar este secreto deben aprenderse bien este diagrama de fase y todos sus detalles. Paul Michael Grant afirma en Nature que todo apunta a que el secreto se oculta en este diagrama de fase genérico que ha costado 25 años reconstruir. ¿Qué relación hay entre el estado superconductor y el punto crítico cuántico (g^* en la figura)? ¿Cómo es posible que el estado superconductor pueda aparecer tanto en un aislante de Mott como en un metal? ¿Se descubrirá pronto la respuesta? Nos lo cuenta Paul Michael Grant, “High–temperature superconductivity: The great quantum conundrum,” Nature 476: 37–39, 04 August 2011; que se hace eco de los artículos de K. Jin et al., “Link between spin fluctuations and electron pairing in copper oxide superconductors,” Nature 476: 73–75, 04 August 2011, y Rui-Hua He et al., “From a Single-Band Metal to a High-Temperature Superconductor via Two Thermal Phase Transitions,” Science 331: 1579-1583, 25 March 2011; el primero de ellos estudia el diagrama de fase electrónica para los cupratos dopados con átomos tipo p (aceptores de electrones o dadores de huecos) y el segundo el de los dopados con átomos tipo n (dadores de electrones). En opinión de Grant, la coincidencia entre los diagramas de fase electrónica de los cupratos en ambos casos oculta la clave para entender la superconductividad de alta temperatura.

Quizás quieras una explicación de la figura, no soy experto en física del estado sólido, pero trataré de aclararla un poco. La figura muestra lo que se cree que es el diagrama de fase electrónica genérico de un cuprato (superconductor basado en óxido de cobre); estos materiales cuando no son superconductores se comportan como perovskitas. El diagrama de fase electrónica es parecido a un diagrama de fase convencional que representa los diferentes estados de un material. El diagrama de fase convencional tiene en el eje vertical la presión y en el horizontal la temperatura; presenta puntos triples (en los que coexisten los estados sólido, líquido y gaseoso) y puntos críticos (clásicos) en los que las propiedades que separan dos fases se diluyen (en el caso del agua, la curva que separa las fases de vapor y de líquido se detiene en un punto crítico más allá del cual el agua se comporta como un fluido supercrítico que tiene propiedades tanto de los líquidos como de los gases).

En el diagrama de fase electrónica, el eje vertical muestra la temperatura (T) y el horizontal la densidad de carga eléctrica local (g), cuyo origen es el dopado del material (también puede ser la presión a la que está sometido). Según la teoría de bandas para explicar la conductividad de los sólidos, los cupratos deberían ser siempre metales, pero no lo son, también pueden ser aislantes antiferromagnéticos de Mott, en los que los cationes (átomos) metálicos adyacentes tienen espines opuestos. La superconductividad de alta temperatura se descubrió al dopar estos materiales con un metal tipo p, que introduce huecos en su estructura de bandas, destruyendo el orden antiferromagnético y creando dos estados de conducción, uno normal y otro superconductor. También ocurre cuando se dopan con un metal tipo n, que introduce electrones en lugar de huecos.

Retornando a la figura. Los estados que se observan en este diagrama genérico para un cuprato son, de izquierda a derecha y alta temperatura: un aislante antiferromagnético tipo Mott (azul claro); un estado (morado) en el que los portadores de mueven (conducen) pero “recuerdan” su origen antiferromagnético (aislante), por lo que en lugar de un salto (gap) entre las bandas de conducción y valencia aparece un “pseudosalto” (pseudogap); finalmente, un estado metálico conductor (rosa), que pasa de tener una dependencia de la resistencia eléctrica (R) proporcional a la temperatura, a una dependencia proporcional a la temperatura al cuadrado. A temperatura nula, en el cero absoluto, de izquierda a derecha, conforme g crece, el material pasa de ser aislante a ser conductor al atravesar un punto crítico cuántico (g^*). El régimen superconductor (verde) contiene al punto crítico cuántico y tiene frontera con todas las fases elecrónicas del material. Explicar cómo es esto posible permitirá desvelar el secreto de la superconductividad de alta temperatura. 

Según Grant, el secreto se encuentra oculto en la ecuación de Schrödinger para un sistema de muchos cuerpos (electrones y núcleos) en interacción, incluyendo el efecto del espín. La ecuación central de la “teoría de todo,” la teoría que describe toda la química, todo la física, toda la biología y todo lo que nos rodea. A partir de esta ecuación emergen la vida, el clima, los teléfonos móviles y la superconductividad de alta temperatura. El problema es que nadie puede resolver esta ecuación para un gran número de partículas (un número comparable al número de Avogadro).

Phil W. Anderson, Premio Nobel de Física 1977, el físico más creativo de toda la historia según el estudio bibliométrico del español José M. Soler [DOI], “el descubrimiento de la superconductividad de alta temperatura en un aislante antiferromagnético fue un afortunado accidente.” La fortuna también tendrá que estar de parte de quien descubra el secreto del diagrama de fase electrónica genérico de los cupratos.

La opinión de Michelson sobre el experimento de Michelson-Morley

Mucha gente no lo sabe, pero Michelson no aceptó hasta 1927 la explicación de la teoría de la relatividad para el resultado negativo de su experimento que buscaba pruebas del éter (experimento de Michelson-Morley de 1887). El éter era el medio a través del cual se creía que se propagaba la luz a finales del siglo XIX. Michelson y Morley idearon un experimento para medir el desplazamiento de la Tierra con respecto a ese medio. Michelson fue el primer norteamericano que recibió un premio Nobel de Física, en 1907; Morley nunca recibió el Nobel. Michelson se sintió muy frustrado con el resultado de su experimento, era tal su apego a la teoría del éter que se negó a aceptar la realidad que tenía ante sus ojos y aún más cuando ésta se basaba solo en lo que él había obtenido. No se dio por vencido y trató de demostrar que el éter sufría un arrastre diferencial debido a la altitud, pero de nuevo el resultado fue negativo. Michelson se resistía a ver más allá y decía: “debe admitirse entonces que estos experimentos no son concluyentes para justificar la hipótesis del éter arrastrado por la Tierra en su movimiento. Pero, ¿cómo se pueden explicar los resultados negativos?”.

La resistencia de Michelson se fue debilitando poco a poco. Primero se aferró a la hipótesis de Lorentz y Fitzgerald, en la que el resultado del experimento suponía una contracción en el material del que estaba hecho el brazo del interferómetro, pero se dio cuenta de que esa explicación era artificial y poco creíble, por lo que finalmente, en 1927, aceptó la explicación dada por la teoría de la relatividad. Pero no fue una aceptación total y sin reservas, ya que esa teoría “destruía” lo que se negaba a dejar: “el éter.” La inconformidad de Michelson se aprecia en sus declaraciones: “es de esperar que la teoría pueda ser reconciliada con la existencia de un medio, efectuando una modificación a la teoría o, más probablemente, por la atribución de propiedades necesarias al éter”.

Una vez aceptada la relación entre su experimento y la teoría de Einstein, como muchos científicos de la época, creyó que su experimento había sido la clave para su desarrollo, pero no en el sentido que le atribuía la mayoría, sino como la base de las transformaciones de Lorentz sobre las que descansa la teoría de Einstein. Cuando Einstein dijo que para él no había sido importante su experimento, Michelson defendió el papel que desempeñó en esa revolución científica, quería un reconocimiento en aquello que en un principio calificó de “fracaso”, deseaba un lugar en la historia. Ciertamente, la mayoría de los científicos y experimentalistas ya le habían otorgado dicho reconocimiento, pero el que pedía llegó en 1931, cuando Einstein alabó su trabajo y lo consideró fundamental para su teoría.

Extractos de Marta Martín del Rey, Ángel Martín del Rey, “La influencia del experimento de Michelson y Morley en la teoría de la relatividad,” Ciencia, UNAM, 94, 2009.

También en este blog: “¿Conocía Einstein el experimento de Michelson-Morley en 1905 y le influyó en su teoría?,” 14 agosto 2009; “Nuevo experimento Michelson-Morley limita las variaciones de la velocidad de la luz en 17 órdenes de magnitud,” 14 febrero 2010; “Por qué costó 23 años que se aceptara la teoría del electromagnetismo de Maxwell,” 15 agosto 2008; y “Einstein y el fracaso escolar (o sobre la tesis de Einstein),” 17 julio 2008.