El problema de la materia oscura está cada día más oscuro

El problema de la materia oscura, qué es el 80% de la materia del universo, parece cada día más difícil de resolver. Muchos experimentos ofrecen resultados contradictorios entre sí, unos apuntando a partículas ligeras y otros a partículas pesadas. Las noticias aparecidas en las dos últimas semanas son un buen ejemplo de la situación actual. Un repaso nos muestra la dificultad del problema en toda su crudeza. Nos lo regala Eugenie Samuel Reich, “Dark matter results spark debate. Competing experiments present a puzzling picture, as seen through Storify,” Nature News Blog, 02 Dec. 2011. Te recomiendo su lectura. Permíteme una traducción y resumen con algunas figuras.

Fermi y PAMELA. Fermi, el telescopio espacial de rayos gamma de la NASA ha observado una señal de rayos gamma compatible con un exceso de positrones (la antipartícula del electrón) en los rayos cósmicos. PAMELA, el satélite de rayos cósmicos europeo observó en 2008 un exceso de positrones en los rayos cósmicos. Por tanto, Fermi confirma la observación de PAMELA. Los físicos de PAMELA creen que su exceso de positrones es debido a la aniquilación de la materia oscura del halo galáctico de la Vía Láctea, en concreto, el espectro de energía observado apunta a una partícula tipo WIMP con una masa de unos 100 GeV. Sin embargo, las observaciones de Fermi presentan un espectro de energía que alcanza hasta 200 GeV, mucho más allá de los 100 GeV e incompatible con los modelos actuales para la materia oscura del halo galáctico. O bien estos modelos están equivocados, o bien Fermi desmiente la interpretación de PAMELA y el exceso de positrones tiene un origen diferente a la materia oscura. AMS-02, el espectrómetro magnético Alfa instalado en la Estación Espacial Internacional tendrá que observar este exceso de positrones y podrá medir su espectro con mayor precisión que PAMELA y Fermi; quizás gracias a esa medida se logreen Los interesados en el artículo técnico disfrutarán de The Fermi LAT Collaboration, “Measurement of separate cosmic-ray electron and positron spectra with the Fermi Large Area Telescope,” ArXiv, 2 Sep. 2011 (la figura de arriba es de este artículo). Más información en la traducción de Kanijo, “Confirmado el exceso de antimateria cósmica,” Ciencia Kanija 24 Nov. 2011 [artículo original en inglés].

PAMELA y Fermi. La confrontación de los resultados de Fermi con los modelos de materia oscura galáctica ha llevado a redefinir estos modelos y dos artículos apuntan a que es posible que la partícula responsable de la materia oscura del halo galáctico tenga una masa mayor de 100 GeV, incluso hasta 240 GeV. Si se confirmara este resultado, Fermi podría haber observado materia oscura compatible con PAMELA. Nos lo contó Lisa Grossman, “Dark matter particles may be heavyweights after all,” NewScientist, 29 Nov. 2011, que se hizo eco de The Fermi-LAT Collaboration, “Constraining dark matter models from a combined analysis of Milky Way satellites with the Fermi-LAT,” ArXiv, 17 Aug 2011, y Alex Geringer-Sameth and Savvas M. Koushiappas, ”Exclusion of canonical WIMPs by the joint analysis of Milky Way dwarfs with Fermi,” ArXiv, 15 Aug 2011. 

ARCADE 2. El radiómetro de ARCADE 2, que se eleva a la alta atmósfera gracias a globos sonda, observó en 2009 señales entre 3 y 90 GHz cuyo origen astrofísico no estaba claro. Un nuevo artículo ha reinterpretado estos datos como señales de la aniquilación de partículas WIMP de materia oscura con una masa entre 10 y 20 GeV. Una partícula de materia oscura con una masa tan baja también ha sido sugerida por agunos experimentos, aunque la mayoría de los expertos prefiere una partícula más masiva. Nos lo contó Jon Cartwright, “Radio-wave excess could point to dark matter,” Physics World, Dec. 1, 2011, siendo el artículo técnico N. Fornengo et al., “A dark matter interpretation for the ARCADE excess?,” ArXiv, 2 Aug 2011. 

XENON 100 y CoGENT.  El abril, XENON-100 descartó la posibilidad de que la materia oscura estuviera formada por partículas de masa muy baja, como observaron otros experimentos como CoGENT.  Estos últimos (su director Juan Collar) atacaron los resultados de XENON 100 afirmando que no tenían sensibilidad suficiente para descartar este tipo de partículas (algunos hablaron del ataque de la “inquisición española”). Obviamente, desde XENON 100 se contraatacó contra CoGENT afirmando que quien carecía de sensibilidad eran ellos y que la señal periódica de partículas WIMP que habían observado era debida al movimiento de la Tierra. Un toma y daca poco elegante entre colaboraciones que deberían colaborar entre sí y no criticarse. Nos contaron este toma y daca Eugenie Samuel Reich, “Dark matter no-show confronts supersymmetry. The XENON100 experiment has placed the tightest limits yet on the properties of dark matter,” Nature News 14 Apr. 2011; Eugenie Samuel Reich, “Dark matter signal to be tested within months,” Nature News, June 09, 2011; Eugenie Samuel Reich, “Dark matter claim draws scrutiny,” Nature News, June 30, 2011, y Yudhijit Bhattacharjee, “Possible Sighting of Dark Matter Fires Up Search and Tempers,” Science, June 3, 2011. Por cierto, este último artículo comparaba al director de CoGENT (profesor de la Universidad de Chicago) con un torero: “It’s not hard to imagine Juan Collar as a matador. He is Spanish, for one thing, and he certainly seems to relish waving a red flag in front of his rivals. Collar’s arena doesn’t involve charging bulls or flashing swords, however.”

CoGENT, CRESS II y DAMA/LIBRA. En septiembre los resultados de CRESS II apuntaron a una partícula WIMP con una masa entre 10 y 50 GeV, un rango compatible con las observaciones de CoGENT y DAMA/LIBRA. Los dos experimentos de Gran Sasso, en Italia, CRESS II y DAMA/LIBRA, se apoyaron mutuamente en la polémica contra XENON 100 porque ambos observaron una señal periódica similar, se observan más señales de WIMPs en verano que en invierno, lo que se supone que tiene su origen en el movimiento de la Tierra a través del halo galáctico de materia oscura. Nos lo contó Ron Cowen, “Shedding light on the mystery of dark matter,” Nature News, 13 Sep. 2011.

En resumen, algunos experimentos apuntan a partículas WIMP de gran masa, otros a WIMP de masa baja, y el problema de la materia oscura cada día se ve más oscuro. Lo que hay que tener claro para no perderse en este asunto es que estamos en “la década de la materia oscura,” cuando se aclarará este asunto porque hay gran número de experimentos en curso, pero mientras tanto seguirá viva la “guerra de cifras sobre la masa de las partículas WIMP de materia oscura.” Muchas de las señales que estamos observando ahora no serán debidas a la materia oscura, pero cuáles sí lo serán no lo sabremos hasta dentro de un par de lustros (como muy tarde).

Mi opinión sobre los rumores de un Higgs con 126 GeV

Los rumores preceden a todo anuncio de nuevos datos sobre el bosón de Higgs. El webcast del próximo martes, 13 de diciembre no podía ser una excepción. ATLAS y CMS presentarán nuevos resultados, pero no se sabe si ya habrán analizado los 5/fb de datos obtenidos por el LHC en 2011 o solo parte. En esta ocasión el rumor apunta a una señal en el canal difotónico (la desintegración del Higgs en dos fotones, el canal más prometedor en el LHC para descubrir un Higgs de baja masa). Un comentario en el blog viXra apunta a una señal de un Higgs con una masa de 126 GeV a 3 sigma en ATLAS y con una masa de 125 GeV a 2 sigma en CMS; combinadas darían una señal a 3,5 sigma. La anchura de la señal corresponde a lo esperado para un Higgs de dicha masa, lo que ha encendido muchas bombillas en la mente de muchos blogueros. Pero pongamos los pies sobre la tierra.

Lo primero, en el canal difotónico una señal a 3 sigma con menos de 5/fb de datos corresponde a menos eventos que dedos tenemos en una mano. Todavía es muy pronto para hablar de descubrimiento. En marzo próximo cuando se analice la combinación ATLAS+CMS con un total de 10/fb de datos, si se confirma esta señal, ya será otra historia (pero solo habrá tantos eventos como dedos tiene un humano).

Lo segundo, de existir un Higgs con una masa de 126 GeV debería haberse observado en el Tevatrón del Fermilab en el canal bb (desintegración de un Higgs en un par de quarks bottom-antibottom). Solo una fluctuación estadística a la baja puede explicar la ausencia de dicha señal. Ya es mala suerte para el Tevatrón.

Lo tercero, rumores previos apuntaban a un Higgs de 120 GeV con al menos 2 sigma en el canal ZZ (desintegración del Higgs en dos bosones Z virtuales que a su vez se desintegran en 4 leptones). Cuando el río suena es porque piedras lleva. Lo cierto es que todos estos rumores apuntando a un Higgs de baja masa  cofirman lo que mucha gente ya veíamos venir, que el Higgs tiene una masa baja. Esto implica que el modelo estándar más la gravedad no pueden explicar toda la física hasta la escala de Planck y que tiene que haber algo más; como decía mi abuela “no sé lo que será, pero algo tiene que haber” (se refería a Dios). El modelo estándar y la gravedad han sido demostradas en la escala de energías entre 0 y 100 GeV; un Higgs de baja masa apunta a que en las energías entre 1000 GeV y 10 000 000 000 000 000 000 GeV debe haber algo. Cuando alguien afirma que el modelo estándar “predice” un Higgs de 140 GeV se refiere a que en dicha escala de energías no hay nada. Solo un desierto vacío. Por supuesto, otra cosa muy distinta es que haya algo que se encuentre entre 100 y 10 000 GeV (el rango de energías que explorará el LHC en los próximos 20 años).

Y lo cuarto y último, la interpretación de la señal observada en el canal difotónico dependerá mucho de lo que indiquen los demás canales de búsqueda (como ZZ y WW). Si los demás canales apuntan en contra de esta señal podemos descartarla con cierta seguridad. Todo lo contrario a lo que sucederá si los demás canales ratifican esta señal. Habrá que esperar al 12 de diciembre para conocer los detalles y salir de dudas.

En resumen, ya os contaré, pero no espero otra cosa más allá de una nueva “falsa alarma.” Yo he predicho que sabremos algo en firme sobre el Higgs el verano próximo y mantengo mi opinión. Pero, como es obvio, es solo una opinión.

El rumor en otros blogs (aunque sin más información): Philip Gibbs, “Seminar Watch, Higgs Special,” ViXra log, Dec. 2, 2011; Peter Woit, “A 125-126 GeV Higgs?,” Not Even Wrong, Dec. 2, 2011; Lubos Motl, “Higgs search on Dec 13th: will remain inconclusive,” The Reference Frame, Dec. 2, 2011; Tommaso Dorigo, “Higgs Expectations,” A Quantum Diaries Survivor, Dec. 2, 2011; Adam Mann, “Could a Higgs Boson Announcement Be Imminent From the LHC?,” Wired Science, Dec. 2, 2011; BBC, Telegraph, Guardian y otros.

Por cierto, una curiosa apuesta entre un premios Nobel, Frank Wilczek, y una físico de renombre, Janet Conrad, vista en Robert Garisto, “How Do Eminent Physicists Tackle the Higgs Boson? With Chocolate,” The New York TImes, 28 Nov. 2011.