CDMS-II observa tres partículas tipo materia oscura con una masa de 8,6 GeV/c²

Los detectores de silicio del experimento de búsqueda directa de materia oscura CDMS-II (Colaboración SuperCDMS) ha observado 3 eventos candidatos, cuando se esperaban 0,7 eventos, lo que implica una señal a 3σ (99,8% CL) de una partícula de materia oscura tipo WIMP con una masa de 8,6 GeV/c² y una sección eficaz WIMP-nucleón de 1,9 × 10^-41 cm²; los detectores de germanio de este detector (menos sensibles a partículas de masa menor de 10 GeV/c²) observaron 2 eventos candidatos para un fondo esperado de 0,9 eventos en 2010.

El nuevo artículo técnico es CDMS Collaboration, “Dark Matter Search Results Using the Silicon Detectors of CDMS II,” arXiv:1304.4279, 15 Apr 2013 [CDMS-II preprint at Berkeley]; ver también CDMS Collaboration ”Silicon Detector Results from the First Five-Tower Run of CDMS II,” arXiv:1304.3706, 12 Apr 2013. Se han hecho eco de la noticia Kathryn Jepsen, “Cryogenic Dark Matter Search Adds New Intrigue with Latest Result,” SLAC News, Apr 15, 2013, y Dan Bauer, “Dark-matter search results from CDMS II silicon detectors,” Fermilab Today, Apr 15, 2013. Recomiendo también las charlas de Bernard Sadoulet, “The Search for Weakly Interacting Massive Particle Dark Matter,” APS 2013 W.K.H Panofsky Prize, Apr 14, 2013 [slides], Blas Cabrera, “Cryogenic Particle Detectors in Search for Dark Matter,” Panofsky Prize presentation, APS April Meeting, Apr 14, 2013 [slides] y Kevin A. McCarthy (MIT, SuperCDMS & CDMS Coll.), “Dark Matter Search Results from the Silicon Detectors of the Cryogenic Dark Matter Search Experiment,” Apr 14, 2013 [slides].

El exceso de positrones de AMS-02 como señal de la materia oscura

Interpretar el exceso de positrones observado por AMS-02 (además de por PAMELA y Fermi) como una señal de la aniquilación de una partícula (χ) de materia oscura requiere utilizar ajustar un modelo de la desintegración (como χχ→μμ, o χχ→WW) y una composición “razonable” para la materia oscura galáctica. El número de parámetros libres es grande y se pueden realizar muchos ajustes fácilmente. Mientras no se observe una señal de corte clara en los datos de AMS-02, decidir entre diferentes modelos es imposible. Esta figura muestra un ajuste a la desintegración  χχ→μμ de una partícula de masa m(χ)=670 GeV, más allá de lo observable en el LHC (por el momento). Los detalles los podéis disfrutar en Joachim Kopp (MPIK Heidelberg), “Constraints on dark matter annihilation from AMS-02 results,” arXiv:1304.1184, 3 Apr 2012.

WMAP+ACT+SPT confirman el modelo cosmológico ΛCDM con inflación a la espera de los datos de Planck

Se acaba de publicar el mejor ajuste de los parámetros cosmológicos del modelo ΛCDM a partir de los datos de WMAP9 + ACT+ SPT. El índice espectral escalar ns = 0,9690 ± 0,0089 es menor que la unidad en 3,5 σ, consistente con los modelos más sencillos de inflación cósmica. El número efectivo de partículas relativistas es Neff = 3,28 ± 0,40, compatible con las tres especies de neutrinos ligeros del modelo estándar y descartando la existencia de cinco especies; habrá que esperar a los resultados del satélite Planck de la ESA para poder confirmar de forma definitiva que no hay ningún neutrino estéril. WMAP9 corresponde a los 9 años de observación de todo el fondo cósmico de microondas del satélite Wilkinson MAP de la NASA. ACT y SPT corresponden al Atacama Cosmology Telescope y al South Pole Telescope, resp., que observan con gran resolución una pequeña región del CMB. Estos datos pre-Planck durarán poco, pero apuntan a la confirmación del modelo ΛCDM (big bang con inflación cósmica, materia oscura fría y energía oscura). El artículo técnico es Erminia Calabrese et al., “Cosmological Parameters from Pre-Planck CMB Measurements,” arXiv:1302.1841, 12 Feb 2013.

La misteriosa línea de 130 GeV de Fermi-LAT también se observa en el halo del Sol

La liberación pública de los datos obtenidos por el satélite Fermi LAT de la NASA permitió descubrir una línea en el espectro de rayos gamma con una energía de 130 GeV situada en el centro galáctico. La primera hipótesis para su origen fue la materia oscura. Pero la señal también se observó en el limbo de la Tierra (con 4,29 sigmas), lo que llevó a pensar en un error instrumental. Un nuevo artículo observa dicha línea en el halo solar con 3,16 sigmas. La materia oscura no puede ser la responsable (si la hubiera en el halo solar en la cantidad necesaria ya habría sido detectada por otros medios). Todo apunta de nuevo a un error instrumental, aunque los expertos de la colaboración Fermi LAT no han logrado explicar aún cuál puede ser la causa y han afirmado en varias ocasiones que no puede ser causada por ningún defecto en sus instrumentos. El misterio continúa, pero la hipótesis de su origen en la materia oscura se puede descartar de forma definitiva; ni en el limbo terrestre ni en el halo solar hay materia oscura  capaz de causar esta línea en el espectro de rayos gamma de Fermi LAT. El nuevo artículo técnico es Daniel Whiteson, “Searching for Spurious Solar and Sky Lines in the Fermi-LAT Spectrum,” arXiv:1302.0427, 2 Feb 2013. Por cierto, quizás no lo sepas, pero sobre esta línea de 130 GeV, descubierta en marzo de 2012, ya se han escrito unos 100 artículos científicos.

El origen de los anillos concéntricos de materia en la galaxia elíptica NGC 474

La galaxia elíptica NGC 474 se encuentra a 100 millones de años luz de distancia en la constelación de Piscis. Presenta capas concéntricas de materia de hasta 250.000 años luz de diámetro. No es un caso excepcional, alrededor del 10% de las galaxias elípticas presenta este tipo de estructuras. Se cree que son el resultado del canibalismo galáctico, ya que parece que NGC 474 le está robando materia a su compañera NGC 470; los desechos de las estrellas que son “robadas” forman colas de materia que darían lugar a los anillos observados en la imagen. Sin embargo, esta explicación no describe todos los detalles. Quizás, parte de los anillos han sido producidos por otras galaxias enanas que han sido “devoradas” durante los últimos miles de millones de años (APOD 2011 July 26 (trad. esp.) nos remiten a A. J. Turnbull et al., “Shell Formation in NGC474,” Galaxy Interactions at Low and High Redshift, Proceedings of IAU Symposium #186, held at Kyoto, Japan, 26-30 August, 1997, edited by J. E. Barnes and D. B. Sanders, 1999., p.191 [pdf gratis]).

La transición de fase electrodébil en dos pasos y un campo de Higgs con varios mínimos

Mucha gente se pregunta, ¿realmente qué puede explicar el campo de Higgs además de la masa? Un campo escalar puede explicar muchas cosas si su potencial es un poco más exótico que el utilizado en el mecanismo de Higgs del Modelo Estándar Mínimo (que es el más sencillo imaginable, diseñado para explicar la masa y nada más). Un diseño adecuado del potencial permite explicar la inflación cósmica, la asimetría materia-antimateria e incluso la materia oscura. Con un potencial con varios mínimos, que requiere varios bosones de Higgs, la transición de fase electrodébil puede ocurrir en varias etapas, cada una explicando un fenómeno físico diferente en los primeros instantes de la gran explosión. El campo de Higgs en el Modelo Estándar Mínimo es un doblete escalar (1, 2, 1/2) bajo la simetría SU(3)×SU(2)× U(1), es decir, un campo con cuatro partículas, tres bosones de Goldstone no observables porque han sido “tragados” por los bosones W y Z, y un bosón de Higgs observado en el LHC. Añadir un triplete escalar que se transforme como (1, 3, 0) bajo las simetrías del Modelo Estándar permite explicar además del origen de la masa, el exceso observado en el canal difotónico en el LHC, ofrece una partícula candidata a materia oscura fría y explica la asimetría materia-antimateria. Todo gracias a la incorporación de tres nuevos parámetros libres que permiten ajustar de forma adecuada los resultados de los experimentos (bueno, ya se sabe que se puede “dibujar un elefante con solo cuatro números complejos” y con cinco lograr que mueva la trompa). Me ha resultado curioso el artículo de Hiren H. Patel, Michael J. Ramsey-Musolf, “Stepping Into Electroweak Symmetry Breaking: Phase Transitions and Higgs Phenomenology,” arXiv:1212.5652, 22 Dec 2012. No me regañéis, lo sé, se trata de un trabajo aún muy provisional (pues ni su candidato a materia oscura es razonable, ni su asimetría CP es adecuada), pero sugiere un camino interesante para los físicos jóvenes con ganas de explorar el landscape de los potenciales para el campo de Higgs.

 

El problema de la línea de rayos gamma de 130 GeV observada por Fermi-LAT

En la región del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, el telescopio de rayos gamma Fermi-LAT (Large Area Telescope) ha observado un exceso a 4,6 sigmas locales (solo 3,2 sigmas globales) con una energía de 130 GeV que podría corresponder a la aniquilación de materia oscura en fotones (rayos gamma), con una sección eficaz de 10⁻²⁷ cm³/s. Dicha observación se ha obtenido gracias a la publicación de los primeros 43 meses de observaciones de Fermi-LAT. Nos resume el análisis estadístico de la señal Christoph Weniger, “Tentative observation of a gamma-ray line at the Fermi LAT,” arXiv:1210.3013, Subm. 10 Oct 2012.

Una técnica de análisis estadístico sesgada para la búsqueda de picos en los datos de Fermi-LAT ha obtenido una señal aún más clara, con un confianza estadística de 6,5 sigmas para una línea espectral con una energía de 127,0 ± 2,0 GeV; aunque también podría tratarse de dos líneas más delgadas situadas en 110,8±4,4 GeV y 128,8±2,7 GeV compatibles con la desintegración de una partícula WIMP (un neutralino) con una masa de 127,3 ± 2,7 GeV en los canales γγ y γZ. Obviamente, esta segunda posibilidad está mucho menos clara en los datos. Nos lo contaron Meng Su, Douglas P. Finkbeiner, “Strong Evidence for Gamma-ray Line Emission from the Inner Galaxy,” arXiv:1206.1616, Subm. 7 Jun 2012.

El mayor problema de esta señal es que si la línea observada corresponde a partículas de materia oscura, éstas deberían haber sido observadas en los experimentos de búsqueda directa en curso. Por tanto, debe haber alguna otra explicación a la observación realizada por Fermi-LAT. Lo más razonable es que se trate de un error sistemático en los instrumentos de medida. Un estudio de los datos de Fermi-LAT que ha buscado sistemáticamente picos alrededor de 130 GeV ha encontrado uno asociado al limbo de la Tierra (la zona alrededor de la Tierra vista por este telescopio) con 4,7 sigmas locales. No existe ninguna fuente física real de esta señal, que obviamente es espuria (un error sistemático en los detectores). Aunque aún no hay ningún modelo que explique por qué los detectores pueden fallar de esta forma, los descubridores de esta anomalía creen que la señal observada en el centro galáctico podría tener el mismo origen, siendo un error sistemático de los instrumentos. Nos lo contaron Douglas P. Finkbeiner, Meng Su, Christoph Weniger, “Is the 130 GeV Line Real? A Search for Systematics in the Fermi-LAT Data,” arXiv:1209.4562, Subm. 20 Sep 2012. Un estudio posterior apunta a que no es un error instrumental, sino solo una fluctuación estadística, en concreto Andi Hektor, Martti Raidal, Elmo Tempel, “Fermi-LAT gamma-ray signal from Earth Limb, systematic detector effects and their implications for the 130 GeV gamma-ray excess,” arXiv:1209.4548, Subm. 20 Sep 2012.

No había hablado aún en este blog de la línea a 130 GeV observada por Fermi-LAT porque todo indica que se trata de una línea espuria, una fluctuación estadística o un error instrumental. Sin embargo, muchos físicos siguen desarrollando modelos para la materia oscura capaces de mostrar esta señal y no mostrar ninguna en el resto de los detectores directos de materia oscura. Así seguirá ocurriendo mientras no se descubra la solución definitiva a este problema. Quizás baste acumular más datos y la fluctuación estadística observada empezará a reducirse hasta desaparecer.

La modulación anual observada por DAMA/LIBRA y la existencia de materia oscura

El experimento italiano DAMA (Dark Matter) para la búsqueda directa de la materia oscura ha observado con 8,9 sigmas una modulación anual con un máximo entre mayo y junio, consistente con lo esperado para una señal de la materia oscura. El experimento ha acumulado datos durante 13 años de operación, primero DAMA/NaI entre 1995 y 2002, y luego DAMA/LIBRA entre 2003 y 2010. La amplitud de la modulación en la energía de retroceso de las moléculas de yoduro de sodio (dopado con talio) NaI(Tl) se puede interpretar como la colisión de una partícula WIMP de materia oscura de unos 10 GeV de masa que colisione con los núcleos de sodio, o con una de unos 80 GeV que colisione con los núcleos de yodo. Los datos de otros experimentos, como CoGeNT descartan una WIMP con 80 GeV de masa, luego todo apunta a una partícula WIMP de unos 10 GeV. El problema es que los resultados de DAMA están en contradicción con los resultados de otros experimentos (como CDMS o XENON100). Se han propuesto explicaciones de la modulación sin materia oscura, pero ninguna ha sido confirmada. Nos lo cuentan Katherine Freese, Mariangela Lisanti, Christopher Savage, “Annual Modulation of Dark Matter: A Review,” To appear in Review of Modern Physics, arXiv:1209.3339, Subm. 14 Sep 2012.

Hay evidencia gravitatoria de la existencia de un halo de materia oscura en todas las galaxias. El movimiento del sistema solar a unos 220 km/s en nuestra galaxia, la Vía Láctea, debería provocar la aparición de un “viento” de materia oscura. Si la materia oscura está formada por partículas, cada segundo unos mil millones atravesarán tu cuerpo y al menos una cada minuto colisionará con alguno de los núcleos atómicos de tu cuerpo. Hay varios candidatos teóricos para estas partículas, pero el más razonable son partículas neutras con gran masa (entre 1 GeV y 10 TeV) que interaccionan débilmente, llamadas WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Estas partículas (realmente) neutras (es decir, idénticas a su antipartícula) creadas en la gran explosión (big bang) deberían estar en equilibrio térmico y deberían poder aniquilarse en colisiones mutuas, es decir, igual que una partícula de materia aniquilarse al colisionar con una partícula de antimateria, dos partículas realmente neutras pueden aniquilarse al colisionar una contra otra. Las partículas y la radiación producida por estas aniquilaciones podría explicar la señal de la “neblina” galáctica de microondas observada por los satélites WMAP y Planck [ver en este blog] o las dos “burbujas” de radiación observadas por el satélite Fermi (aunque estas señales no se pueden explicar del todo con materia oscura ya que no es fácil explicar los bordes “duros” de estas burbujas).

El mejor candidato a partícula WIMP en la actualidad es el neutralino más ligero predicho por la supersimetría (SUSY), en concreto, por el modelo estándar supersimétrico mínimo (MSSM por Minimal Supersymmetric Standard Model); por supuesto, si no existe la SUSY a baja energía, como apuntan los datos del LHC en el CERN, hay muchos otros candidatos a WIMP propuestos por los físicos teóricos. Como muestra esta figura, los datos de DAMA son compatibles con dos posibles masas para la partícula WIMP, 76 GeV (scattering con el yodo) y 11 GeV (scattering con el sodio). Estas dos posibilidades corresponden a los “óvalos” naranjas en la siguiente figura.

Las partículas WIMPs del “viento” galáctico de materia oscura deben interaccionar con los núcleos de los átomos del detector, causando un retroceso de estos núcleos que puede ser medido en forma de calor, luz u otros medios. El problema de la modulación de DAMA/LIBRA es que los parámetros asociados al flujo esperado de partículas WIMP según las medidas astrofísicas implican que la masa de estas partículas y la probabilidad de interacción con los núcleos está fuera de los límites actuales obtenidos en otros experimentos. Destacan CDMS y XENON100 que excluyen la existencia de partículas WIMP cuyas propiedades puedan explicar las observaciones de DAMA/LIBRA. Sin embargo, también hay pruebas independientes a favor. Tras un año de toma de datos, CoGeNT ha observado una modulación anual con 2,8 sigmas que también podría explicarse con una partícula WIMP de unos 10 GeV. CRESST-II también ofrece una señal (“óvalo” verde en forma de “V”) que en cierta región podría ser compatible con DAMA y CoGeNT. Por supuesto, la intersección entre estos tres experimentos no deja una señal clara. Hay dos posibles explicaciones. Unos expertos opinan que es debido a la incertidumbre asociada a las simulaciones de Montecarlo utilizadas para reconstruir estas señales. Y otros opinan que el valor de unos 220 km/s  utilizado para el “viento” de WIMP (la velocidad del sistema solar en la galaxia), podría ser un valor demasiado bajo; las medidas más recientes apuntan a unos 254 ± 16 km/s, valor que podría hacer compatibles las medidas de DAMA, CoGeNT y CRESST.

El candidato más firme a partícula WIMP es la partícula escalar supersimétrica de menor masa, el neutralino. Esta partícula se supone que es una mezcla de los binos, winos y higgsinos (todas las partículas llamadas χ en la figura de arriba). La mezcla concreta no se sabe, sin embargo, por lo que hay cierta libertad en su masa. Sin embargo, en los modelos supersimétricos mínimos (variantes de MSSM), tanto los datos de LEP2, como los experimentos ATLAS y CMS del LHC, en especial la existencia de un bosón de Higgs con una masa de 125±2 GeV, descartan un neutralino con una masa por debajo de 30 GeV (compatible con la modulación de DAMA). De hecho, los datos más recientes apuntan a que el neutralino, de exitir, tiene una masa de cientos de GeV, como mínimo (Pascal Pralavorio (On Behalf of the ATLAS Collaboration), “SUSY Searches at ATLAS,” [slides], Paul de Jong, Nikhef (On behalf of the CMS and ATLAS Collaborations), “Supersymmetry Searches at the LHC,” Physics in Collision 2012 [slides], Yuri Gershtein,” ATLAS/CMS Search for SUSY-like Signals in Topologies with Photons,” LPCC 2012 [slides]). Aún así, el gran número de parámetros de las teorías supersimétricas permite un ajuste fino de la masa de cualquier partícula, lo que impide descartar que el neutralino sea la partícula de materia oscura responsable de la modulación de DAMA (ver por ejemplo este artículo).

En resumen, la explicación de la modulación anual de DAMA es una de las cuestiones abiertas más interesantes para los físicos que estudian la materia oscura. Quizás la solución sea tan sencilla como que la distribución de materia oscura en el entorno del Sistema Solar es asimétrica, como apuntan algunos estudios (Ilidio Lopes, Joseph Silk, “Solar constraints on asymmetric dark matter,” ApJ 757: 130, 2012 [arXiv:1209.3631]).

Los últimos resultados de XENON100 sobre la búsqueda directa de la materia oscura

El experimento de búsqueda directa de la materia oscura XENON100, situado en el Laboratorio Nacional Gran Sasso (Italia), ha publicado un nuevo artículo con el análisis de los datos que ha recopilado en sus últimos 13 meses de funcionamiento (224,56 días de toma de datos). No ha encontrado candidatos firmes a partículas WIMP (partículas masivas que interaccionan débilmente), los candidatos más firmes para explicar la materia oscura. Se ha mejorado la sensibilidad en un factor de 3,5 respecto a los resultados publicados en 2011. Los nuevos resultados aparecen en la charla de Elena Aprile, “New Results from the XENON100 Experiment,” DarkAttack, Ascona, July 18, 2012. Un artículo con los resultados del año pasado, para comparar, es E. Aprile et al., “Analysis of the XENON100 Dark Matter Search Data,” arXiv:1207.3458, Subm. 14 July.

Hay dos eventos candidatos, cuando se esperaba un fondo de 1,0 ± 0,2 eventos debidos a gammas y neutrones, por lo que no se puede descartar que sean eventos espurios debidos al ruido de fondo.

Os recuerdo que Xenon100 trata de estudiar la interacción entre partículas de materia oscura tipo WIMP (Weakly Interacting Massive particles) del halo galáctico que interaccionan de forma elástica con núcleos de xenón en una cámara de líquido ultrapuro. El flujo esperado de WIMPs del halo galáctico estimado por los modelos teóricos de materia oscura indica que deberían observarse eventos entre estas partículas y los núcleos de xenón (A~131).

La ventaja del xenón es que es barato (unos 1000 dólares por kilogramo), por lo que se puede llegar a fabricar detectores en hasta una tonelada (la construcción de XENON1T ya ha sido aprobada y empezará este año). XENON100 se encuentra en el Laboratorio Nacional subterráneo de Gran Sasso (junto a OPERA, ICARUS y muchas otras instalaciones).

PS (22 julio 2012): Recomiendo la lectura del artículo de Sean Carroll, “Dark Matter Still Hiding,” Cosmic Variance, July 20th, 2012.

El experimento COUPP-4 observa 20 eventos candidatos a partículas WIMP con una energía de retroceso de unos 13 keV

El experimento COUPP-4 (Chicagoland Observatory for Underground Particle Physics), situado en el laboratorio subterráneo SNOLAB, ha observado 20 eventos tipo partícula WIMP de materia oscura entre septiembre de 2010 y agosto de 2011. En concreto, la energía de retroceso medida para estos eventos es la siguiente: 8 eventos con 8 keV, 6 eventos con 11 keV, y 8 eventos con 16 keV. Todavía es pronto para saber lo que significan estos eventos, pues el ruido de fondo en este experimento todavía no se conoce todo lo bien que gustaría, pero son resultados muy prometedores. El artículo técnico indican que estos eventos son compatibles con partículas WIMP del halo galáctico con una masa mayor de unos 20 GeV. Los resultados de COUPP-60, cuya toma de datos empezará en unos meses, seguro que ofrecerán nuevos indicios sobre partículas WIMP en la escala de los O(10) keV. COUPP-500 se construirá entre 2014 y 2015, empezando a tomar datos en 2016. Nos lo cuenta Russell Neilson (for COUPP, Univ. Chicago), “COUPP: Searching for Dark Matter with Bubble Chambers,” LHC, Particle Physics, and the Cosmos, July 13, 2012 [slides]. Recomiendo el artículo técnico de E. Behnke et al., “First Dark Matter Search Results from a 4-kg CF3I Bubble Chamber Operated in a Deep Underground Site,” arXiv:1204.3094, Submitted on 13 Apr 2012.

En las cámaras de burbujas se utiliza un fluido sobrecalentado (en COUPP se usa CF3I) en el que el paso de una partícula provoca la producción de protoburbujas que se amplifican y dejan una traza visible. Utilizando una cámara de burbujas de solo 4 kg las incertidumbres en el ruido de fondo (background) son grandes y los resultados son poco decisivos. Se ha reinstalado COUPP-4 en mayo de 2012 con un nuevo sistema de sensores piezoacústicos y con un líquido mucho más puro que permitirán controlar mejor el ruido de fondo. Habrá que esperar a sus resultados dentro de unos meses.

Por ahora, los resultados más importantes de COUPP son los límites de exclusión tanto para partículas dependientes del espín, como para las independientes del mismo, que ya se están acercando a la zona interesante (resultados que pueden afectar a predicciones de teorías supersimétricas, como cMSSM). Abajo tenéis los resultados que se esperan en COUPP-500 para alrededor de 2017. Sin lugar a dudas, la década de los 2010, que ya es la década del Higgs, también será la década de la materia oscura.

Un puente de materia oscura entre dos supercúmulos galácticos que confirma la idea de la web cósmica

Observar la materia oscura a escala cósmica donde no hay materia ordinaria es casi imposible y siempre necesitamos que haya materia ordinaria cerca para ver sus efectos sobre ella, por eso siempre se suele ver ambos tipos de materia ligadas entre sí. Se publica en Nature la observación de un puente (un filamento) enorme de materia oscura que une dos supercúmulos galácticos, Abell 222 y Abell 223. La teoría predice que este tipo de filamentos deben ser muy habituales, sin embargo, esta es la primera vez que se observa uno (repito, porque observarlos es muy difícil). La nueva técnica desarrollada para alcanzar este logro (basada en lentes gravitatorias débiles) se espera que permitirá observar muchos otros ejemplos en los próximos años. La materia en el universo (el 80% de la cual es materia oscura) se distribuye como el jabón en la espuma del baño, en las capas externas de grandes vacíos (las burbujas de la espuma). Se denomina “telaraña cósmica” (cosmic web) a esta idea de la que se tienen pruebas indirectas. El nuevo trabajo de Jörg Dietrich, cosmólogo de la Universidad de Munich en Alemania, y sus colegas es un apoyo muy firme a esta idea. Nos lo ha contado Zeeya Merali, “Dark matter’s tendrils revealed. Direct measurement of a dark-matter ‘filament’ confirms its existence in a galaxy supercluster,” Nature, 04 July 2012, haciéndose eco del artículo técnico de Jörg P. Dietrich, Norbert Werner, Douglas Clowe, Alexis Finoguenov, Tom Kitching, Lance Miller, Aurora Simionescu, “A filament of dark matter between two clusters of galaxies,” Nature, Published online 04 July 2012 [arXiv:1207.0809].

Para los que gusten de datos más técnicos. Los supercúmulos galácticos Abell 222 y Abell 223 presentan un corrimiento al rojo de z  ≈  0,21 y están separados en el cielo por unos 14′ (minutos de arco). El puente de materia oscura ha sido confirmado con una confianza estadística de 4,1 σ (sigmas) gracias a las observaciones del telescopio Subaru de 8,2 metros en Mauna Kea, Hawai. La masa de Abell 222 y Abell 223 se estima en unos 2,7 ± 0,8 × 10¹⁴ y 3,4 ± 1,2 × 10¹⁴ masas solares, resp., mientras que el filamento tiene una masa de 6,5 ± 0,1 × 10¹³ masas solares (aunque el mejor ajuste se obtiene para 9,8 ± 4,4 × 10¹³ masas solares). Las medidas de la cantidad de gas de materia ordinaria que puede haber en el filamento indican que no supera las 5,8 × 10¹² masas solares. Futuros estudios permitirán conocer mejor las propiedades de este filamento de materia oscura.

Proponen un detector de materia oscura direccional basado en ADN

El flujo de materia oscura del halo galáctico que atraviesa la Tierra debe variar anualmente, conforme ésta gira alrededor del Sol, y también a diario, conforme ésta rota sobre su eje. Ninguno de los detectores actuales puede detectar este último efecto, ya que ninguno es direccional (aunque ha habido varios resultados controvertidos al respecto). Un físico, Katherine Freese de la Universidad de Michigan en Ann Arbor y un biólogo, George Church de la Universidad de Harvard en Cambridge, afirman en un artículo enviado a ArXiv que se puede construir un detector de materia oscura direccional utilizando ADN. Nada más y nada menos que utilizar cadenas de ADN que cuelgan de una fina lámina de oro como cortinas de cuentas de cristal. Cuando una partícula de materia oscura (sea WIMP en la figura) colisiona con un núcleo de un átomo de oro hace que éste se proyecte hacia adelante y corte las cadenas de ADN (como ilustra la figura) dejando un rastro que permite determinar con precisión la dirección de incidencia. La propuesta incluye un sistema de amplificación de las cadenas de ADN cortadas para su secuenciación con técnicas convencionales. Según los autores, este tipo de detector tendría una precisión nanométrica (el tamaño de un solo nucleótido). Sorprendente y curioso a la vez. Nos lo han contado en “Revolutionary ‘DNA Tracking Chamber’ Could Detect Dark Matter,” The Physics ArXiv Blog, July 2, 2012, haciéndose eco del artículo técnico de Andrzej Drukier, Katherine Freese, David Spergel, Charles Cantor, George Church, Takeshi Sano, “New Dark Matter Detectors using DNA for Nanometer Tracking,” ArXiv: 1206.6809, Submitted on 28 Jun 2012.

El detector debería constar de cientos (o miles) de estas hojas de oro con cadenas de ADN intercaladas entre hojas de plástico transparente, como polietileno (el PET de las botellas de agua de plástico), al igual que las hojas de un libro. Los autores estiman que sería necesario un kilogramo de oro y unos 100 gramos de ADN. Los autores opinan que este tipo de detector podría fabricarse con que las técnicas actuales, aunque hay detalles tan importantes como garantizar que no haya carbono 14 (que es radiactivo) en el ADN que no son fáciles de lograr (los autores proponen usar carbono obtenido de muestras muy antiguas y fabricar el ADN con él). En mi opinión, los problemas técnicos para la fabricación de este tipo de detectores harán que no estén disponibles en al menos una década y para entonces, yo espero que, el problema de la existencia de la materia oscura estará prácticamente resuelto.

Esta entrada es mi segunda (y última) participación en el XIV Carnaval de Biología organizado por el blog BioTay.

Nuevo estudio refuta que haya poca materia oscura en la vecindad del Sol en la Vía Láctea

Todos recordaréis la noticia: “¿Serio golpe a las teorías sobre materia oscura?,” Noticias ESO, 18 abril 2012. Un estudio afirmaba que la densidad de materia oscura en un entorno del Sol era de ρ < 0,04 GeV/cm³, unas diez veces menor a lo esperado. Yo ya dije en “Sobre la noticia que afirma que no hay materia oscura en el entorno del Sol” que una de las hipótesis utilizadas en el estudio era discutible. Un nuevo estudio, que no utiliza dicha hipótesis ha vuelto a poner las cosas en su sitio, la densidad de materia oscura en el entorno del Sol es de ρ = 0,3 ± 0,1 GeV/cm³. Más aún, el estudio utiliza una técnica que podrá ser aplicada en los próximos años a conjuntos de datos más amplios reduciendo la cota de error al menos en un factor de 10. La ciencia es así. Un artículo copa todos los medios porque afirma algo inesperado y se descubre más tarde que contiene un error; cuando se corrige el error se confirma el resultado esperado. Pero la nueva técnica ideada por sus autores no cae en saco roto. En ciencia pocas ideas buenas se pierden. La idea permite desarrollar una nueva técnica para medir un parámetro que antes era imposible de medir con un error tan pequeño. La ciencia siempre avanza. El nuevo artículo técnico es Jo Bovy, Scott Tremaine (IAS), “On the local dark matter density,” submitted to ApJ, arXiv:1205.4033, 17 May 2012. Me he enterado gracias a Jester, “Dark Matter is Back!,” Résonaances, 22 May 2012.

El estudio analiza la cinemática de 412 estrellas situadas a una distancia menor de 4 kpc (kilopársecs) del Sol; las mismas utilizadas por C. Moni Bidin et al. en abril, pero sustituye la hipótesis de que la velocidad acimutal media de las estrellas es independiente de su distancia al centro galáctico y de su altura respecto al plano galáctico (la curva casi horizontal marcada como VIS en la figura), por la hipótesis que se deduce de los propios datos analizados, que la velocidad circular de las estrellas es independiente de su radio solo en el plano galáctico (la región inclinada marcada en gris entre MIN y OM, con valor medio esperado SHM). Bovy y Tremaine han observado que la hipótesis de Moni Bidin et al. es errónea porque los propios datos analizados no la cumplen. Con la nueva hipótesis, un análisis de los mismos datos indica que la densidad de materia oscura local es de 0,008 ± 0,002 MSol/pc³ = 0,3 ± 0,1 Gev/cm³^3, en perfecto acuerdo con las estimaciones realizadas por otros medios.

Lo siento por todos los que pensaban que los resultados de C. Moni Bidin et al. era una demostración clara de que la hipótesis de la materia oscura es incorrecta y que había que ir pensando en una alternativa a la gravedad (como MOND o TeVeS) . Todos los que han desarrollado hipótesis alternativas tienen ahora que explicar por qué parece la densidad “aparente” de materia oscura en nuestro entorno es de ρ = 0,3 ± 0,1 GeV/cm³. No lo tendrán fácil. Nada fácil.

Por cierto, quizás te lo preguntes ¿acertó Francis su predicción? Yo no me mojé mucho, porque no soy experto en estas lides. En la lista interna de Amazings dije que ”tras una ojeada rápida, yo cogería con pinzas este nuevo resultado.” En mi entrada lo que dije que era lo que no me gustaba eran las hipótesis sobre el teorema virial utilizadas en el artículo: “En una galaxia tan complicada como la Vía Láctea, extraer consecuencias sobre la distribución de la materia oscura en la región local alrededor del Sol utilizando el teorema virial y sus variantes, en mi modesta opinión, no está justificado y puede llevar a resultados erróneos.” La hipótesis que se ha descubierto que es incorrecta es la hipótesis VIII del artículo: “The rotation curve is locally flat in the volume under study.” Esta relacionada con el teorema virial, pero solo de forma indirecta. No puedo decir que yo acertara.

PS: Los interesados en la confrontación entre la hipótesis de la materia oscura y las alternativas a la gravedad disfrutarán con el diálogo a tres (en inglés) de Sean Carroll, “Dark Matter vs. Modified Gravity: A Trialogue,” Cosmic Variance, May 9th, 2012. Nos lo ha recomendado en Twitter ∂³Σx² – Θ³Σx² – ΘΣ ‏@riemannium, autor del blog The Spectrum of Riemannium.

PS (25 mayo 2012): Jon Butterworth, “The matter that’s not not not there. Our local dark matter stages a comeback,” The Guardian, 25 May, 2012: “Peer review is a sort of ‘kite mark’ of quality, but no such kite mark can be perfect. The first paper is rarely the final word, and is often wrong.”

El flujo de muones en Gran Sasso podría explicar la oscilación anual en el detector de materia oscura DAMA/LIBRA

La ciencia avanza sin pausa como una locomotora, arrasando resultados previos que no estén asentados de forma firme. “La modulación anual de la señal en los detectores directos de materia oscura” observada por DAMA/LIBRA y confirmada por CoGeNT, podría ser explicada gracias al flujo de muones de los rayos cósmicos que penetran en el Laboratorio de Gran Sasso, donde está situado DAMA/LIBRA. Tres experimentos que se encuentran allí, MACRO, LVD y Borexino, han encontrado una oscilación anual compatible (en fase) con la de DAMA/LIBRA en el flujo de muones capaces de atravesar la montaña que protege este laboratorio subterráneo. El resultado se ha observado tras analizar los datos de estos tres detectores en los últimos 20 años y confirma la oscilación a 5,2 sigmas de confianza estadística. Por ahora no se puede afirmar que este nuevo resultado explique la oscilación de DAMA/LIBRA sin necesidad de materia oscura, ya que varios estudios teóricos apoyan la hipótesis contraria (que los muones no podían explicar la señal observada). El nuevo estudio además ha encontrado una sorpresa, el flujo oscilatorio observado encontrado presenta una modulación entre 10 y 11 años en fase con el ciclo solar; nadie esperaba que el Sol pudiera producir un flujo de muones con la energía observada que fuera capaz de alcanzar un laboratorio subterráneo como Gran Sasso. Además, los datos de la temperatura de la estratosfera no muestran la existencia de esta oscilación, por lo que los autores del estudio se atreven a calificar como “la anomalía de los muones” a esta discrepancia. Este nuevo resultado dará mucho que hablar en los próximos meses. El artículo, para los interesados en los detalles técnicos del análisis, es Enrique Fernandez-Martinez, Rakhi Mahbubani, “The Gran Sasso muon puzzle,” arXiv:1204.5180.

Esta figura ilustra por qué la modulación de los muones no explica fuera de toda duda la modulación observada por DAMA/LIBRA y cómo aún se mantiene cierta tensión entre ambas modulaciones. La fase de la modulación de muones es de 177,4 ± 2,2 días (con respecto al 1 de enero de 1991) mientras que la de la modulación anual de DAMA/LIBRA es algo menor (de unos 140 días); cambiar el punto de referencia para la medida de la fase no altera esta discrepancia. Este resultado va en la línea de resultados previos basados en un menor número de datos sobre los muones. Aún así, es muy sugerente la existencia de ambas modulaciones en el mismo laboratorio (LNGS). Ahora es el turno de los físicos teóricos que tendrán que darle al coco para tratar de explicar cómo es posible que la modulación anual de los muones explique el resultado observado en los detectores de materia oscura de DAMA/LIBRA. La ciencia, como siempre, apasionante y repleta de sorpresas.

La modulación anual de la señal en los detectores directos de materia oscura

El resultado más impresionante de todos los experimentos de búsqueda directa de la materia oscura es la modulación anual observada por el experimento DAMA/LIBRA, situado en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, a 120 km de Roma, que alcanza las 8,9 sigmas de confianza estadística (recuerda que 5 sigmas son suficientes para un descubrimiento científico). El Sol se mueve a unos 220 km/s a través del halo galáctico de materia oscura de la Vía Láctea; en junio la velocidad de la Tierra (unos 30 km/s) está a favor de la velocidad del Sol y en diciembre está en contra, como resultado el choque (scattering) entre partículas de materia oscura y un blanco de ioduro de sodio (NaI) dopado con talio (Tl) de 250 kg muestra una oscilación anual. El último artículo técnico que presentó este resultado es R. Bernabei et al., “New results from DAMA/LIBRA,” Eur. Phys. J. C 67: 39-49, 2010 [arXiv:1002.1028].

No hay ninguna explicación convincente para esta modulación anual que no sea la existencia de partículas de materia oscura que interaccionan con el blanco; por ahora, todas las demás posibles explicaciones han sido descartadas. Por ejemplo, la posibilidad de que los muones de los rayos cósmicos sean los responsables ha sido claramente descartada comparando los resultados de DAMA/LIBRA con los obtenidos por otros experimentos de Gran Sasso (R. Bernabei et al., “No role for muons in the DAMA annual modulation results,” arXiv:1202.4179).

Para el público general, tras el fiasco de OPERA y sus neutrinos superlumínicos, cualquier resultado que provenga de Gran Sasso sugiere la posibilidad de que haya un error experimental sutil no detectado. Hasta que otros experimentos no confirmen de forma definitiva la modulación observada por DAMA/LIBRA y su hipótesis de que la materia oscura es la responsable, el resultado seguirá en la antesala de los Premio Nobel de Física. Se ha propuesto un experimento similar en el Polo Sur, también con 250 kg de NaI(Tl) pero todavía está en fase final de diseño; hay un prototipo con 17 kg instalado en una de las varillas de IceCube, pero aún no se han publicado sus resultados (J. Cherwinka et al., “A Search for the Dark Matter Annual Modulation in South Pole Ice,” arXiv:1106.1156).

La modulación anual DAMA/LIBRA ha sido observada en algunos experimentos, como CoGeNT, pero con una confianza estadística, por ahora, mucho más pequeña, el problema es que otros experimentos no la han visto, como CDMS-II (CDMS Collaboration, “Search for annual modulation in low-energy CDMS-II data,” arXiv:1203.1309). ¿Por qué algunos experimentos han visto la modulación y otros no? La opinión de algunos expertos es que estos experimentos no tienen la sensibilidad suficiente para observar la modulación, aunque según los responsables de CDMS II (Cryogenic Dark Matter Search, situado en el Laboratorio Subterráneo de la mina de Sudán (Soudan Underground Laboratory), en Minnesota, EEUU, debería tenerla. Una manera de resolver este problema es suponer que la materia oscura interacciona de forma diferente con protones y neutrones de los núcleos, lo que justificaría que los experimentos con xenón, como CDMS II, no observen la modulación.

La interacción entre la materia oscura y los núcleos de los átomos debe depender del espín, ya que el mejor límite de exclusión obtenido hasta el momento en dicho caso, por el experimento XENON 100, también situado en Gran Sasso, excluye la región de parámetros que explica el resultado de DAMA/LIBRA y CoGeNT (XENON100 Collaboration, “Dark Matter Results from 100 Live Days of XENON100 Data,” Phys. Rev. Lett. 107: 131302, 2011 [arXiv:1104.2549]). Sin embargo, algunos autores consideran que la sensibilidad de XENON100 en la región de partículas WIMP de baja masa no es suficiente para excluir un resultado compatible con DAMA/LIBRA.

El análisis de todos los experimentos de detección directa de la materia oscura requiere un modelo teórico subyacente y este modelo está sustentado en ciertas hipótesis estadísticas. El contorno (a) en esta figura es similar al obtenido por la colaboración XENON100, sin embargo, cambios en el modelo permiten mover esta curva hasta la posición (g), donde la compatibilidad con DAMA/LIBRA y CoGeNT es bastante buena. Esta figura está extraída de J.I. Collar, “A Realistic Assessment of the Sensitivity of XENON10 and XENON100 to Light-Mass WIMPs,” arXiv:1106.0653. El experimento XENON1T, actualmente en fase de construcción, decidirá fuera de toda dudas esta cuestión en un par de años.

En resumen, el resultado más impresionante en las búsquedas directas de la materia oscura apunta a partículas WIMP con una masa de pocos GeV, pero se encuentra en tensión con otros experimentos. En menos de un lustro sabremos si este resultado se confirma o se refuta. La materia oscura es mucho más sutil de lo que parece y las evidencias experimentales parece que se contradicen entre sí. Sabemos que existe pero cada día es más difícil construir un modelo teórico que la explique bien. Los jóvenes físicos tienen un gran filón con la materia oscura y la segunda década del s. XXI quizás pase a la historia por la solución de este problema.

Sobre la noticia que afirma que no hay materia oscura en el entorno del Sol

La importancia de leer la letra pequeña es bien conocida. Igual de importante es leer el artículo técnico que sustenta una noticia. Hay detalles que omiten las noticias de prensa científica, en aras a la brevedad, que son fundamentales para entender su alcance. Sobre todo los artículos sustentados en un modelo teórico, cuyas hipótesis son más importantes que las propias conclusiones derivadas de su comparación con resultados experimentales. Permíteme ponerte un ejemplo muy reciente. Supongo que ya habrás leído “¿Serio golpe a las teorías sobre materia oscura?,” Ciencia Kanija, 18 abril 2012 [Noticias ESO, 18 abril 2012; yo me enteré gracias a la lista de correo interna de Amazings.es]. Permíteme unos extractos.

“El estudio más preciso hecho hasta el momento sobre los movimientos de las estrellas en la Vía Láctea no ha encontrado evidencias de materia oscura en un amplio espacio alrededor del Sol. Las vecindades del Sol deberían estar repletas de materia oscura. Utilizando el telescopio MPG/ESO de 2,2 metros de ESO, en el Observatorio de La Silla, un equipo ha cartografiado los movimientos de más de 400 estrellas situadas a más de 13.000 años luz del Sol. Con estos nuevos datos han calculado la masa de materia en las vecindades de nuestro Sol. “La cantidad de masa derivada encaja muy bien con lo que vemos,” afirma el líder del equipo Christian Moni Bidin (Departamento de Astronomía, Universidad de Concepción, Chile). “Esto no deja espacio para materia extra — la materia oscura — que esperábamos encontrar. Nuestros cálculos muestran que debería haberse visto claramente en nuestras medidas. Pero, simplemente, ¡no estaba allí!”. Todos los intentos por detectar materia oscura en laboratorios en Tierra han sido un fracaso. Los nuevos resultados significan que los intentos por detectar materia oscura en la Tierra para explicar las extrañas interacciones entre las partículas de  materia oscura y la materia “normal” tienen pocas probabilidades de éxito. “Si la materia oscura no está presente donde suponíamos que debía estar, debemos encontrar una nueva solución para el problema de la materia que falta. Nuestros resultados contradicen los modelos aceptados actualmente. El misterio de la materia oscura acaba de hacerse aún más misterioso. Los próximos sondeos, como el de la misión Gaia de la ESA, serán cruciales para dar un paso adelante en este punto”, concluye Christian Moni Bidin.

Las teorías predicen que la cantidad media de materia oscura en la vecindad del Sol en nuestra galaxia debería ser de entre 0,4 y 1 kilogramo en un volumen del tamaño de la Tierra. Las nuevas medidas encuentran 0,00±0,07 kilogramos de materia oscura en un volumen del tamaño de la Tierra” [como densidad media en toda la región estudiada].

El artículo técnico es C. Moni Bidin, G. Carraro, R. A. Mendez, R. Smith, “Kinematical and chemical vertical structure of the Galactic thick disk II. A lack of dark matter in the solar neighborhood,” Accepted for publication in the Astrophysical Journal, arXiv:1204.3924, quienes utilizan un modelo teórico derivado en su artículo previo C. Moni Bidin, G. Carraro, R. A. Mendez, “Kinematical and chemical vertical structure of the Galactic thick disk I. Thick disk kinematics,” Accepted for publication in the Astrophysical Journal, arXiv:1202.1799. Hay un artículo técnico breve que resume el resultado obtenido, C. Moni Bidin, G. Carraro, R. A. Mendez, R. Smith, “No evidence of dark matter in the solar neighborhood,” Proceedings of the first binational Sochias-AAA meeting, held in San Juan, Argentina, arXiv:1204.3919.

Ofrecí mi opinión en la propia lista de correo interna de Amazings.es; quizás era más crítica y más ácida de la cuenta, pero ya sabéis que la mula Francis es muy mulo; he estado muy liado y mi idea era omitir este asunto haciendo mutis por el foro. Los lectores de este blog que creen que la materia oscura no existe me acusarán de que defiendo el modelo cosmológico de consenso ante toda prueba en contra y que debería ser mucho más crítico con todas las pruebas recabadas en los últimos 40 años a favor de la materia oscura. Con toda seguridad dichas pruebas son interpretadas de forma incorrecta por casi todos los astrofísicos y cosmólogos del mundo; este nuevo [y revolucionario] estudio lo deja claro y fuera de toda duda, todos están equivocados. Pero la mula Francis tiene que leer la letra pequeña; mi crítica surgió de mi primera ojeada rápida al artículo de Moni Bidin y sus colegas.

Ahora mismo ya no soy la única voz crítica y todas las fuentes fiables de noticias científicas ofrecen un grano de sal y otro de pimienta respecto a este estudio. Por ejemplo, te recomiendo consultar Ron Cowen, “Survey finds no hint of dark matter near Solar System. Result poses a cosmic dilemma but critics prescribe caution,” Nature News, 19 April 2012, y Adrian Cho, “Has Dark Matter Gone Missing? If a new study is true, then the search for dark matter just got a lot weirder. But some scientists doubt the reliability of the team’s method for measuring the elusive substance,” Science NOW, 19 April 2012. Más noticias de prensa en Google News.

Al grano, el estudio se basa en comparar los resultados de un modelo teórico basado en usar un modelo no relativista para la materia oscura, que se supone que se mueve lentamente; en concreto, substituir la ecuación de Jeans, que modela las fluctuaciones de fluido no relativista, en la ecuación de Poisson para el campo gravitatorio newtoniano. La ecuación de Jeans se basa en varias hipótesis razonables entre las que destacan que la materia oscura esté en un estado estacionario, que la curva de rotación galáctica es plana, que la densidad de materia oscura decae de forma exponencial tanto en la dirección radial como en la vertical, etc. Todas estas hipótesis se resumen en que el modelo teórico asume que la materia oscura en la región estudiada tiene forma más o menos esférica con densidad casi constante. Estas hipótesis son razonables para la materia oscura en el halo galáctico en su conjunto, pero en una región tan pequeña alrededor del Sol genera muchas dudas.

Mi comentario en la lista de correo interna de Amazings.es fue el siguiente.

“Los resultados se basan en un modelo muy simple de la distribución de la materia oscura en nuestra galaxia (una esfera). Hay muchos resultados previos que indican que la materia oscura en nuestra galaxia tiene una distribución bastante irregular (producto del canibalismo galáctico, la Vía Láctea ha robado materia oscura a las galaxias satélite que la rodean formando grandes chorros, según las simulaciones numéricas, de materia oscura en nuestro halo galáctico y el brazo de Orión [la región estudiada] podría ser deficitario, ya que se sabe que el de Sagitario tiene excesos). Los resultados del artículo no comparan sus resultados con los obtenidos mediante simulaciones de la evolución de la Vía Láctea en los últimos miles de millones de años (hay varios grupos españoles especialistas en este campo).

En resumen, tras una ojeada rápida, yo cogería con pinzas este nuevo resultado, aunque se haya publicado en la prestigiosa revista The Astrophysical Journal. Ya os contaré más cuando me lea en detalle este artículo.”

En una galaxia tan complicada como la Vía Láctea, extraer consecuencias sobre la distribución de la materia oscura en la región local alrededor del Sol utilizando el teorema virial y sus variantes, en mi modesta opinión, no está justificado y puede llevar a resultados erróneos. Os recuerdo lo que ya escribí en este blog sobre el canibalismo galáctico utilizando una sola imagen.

Cualquier imagen “realista” de la distribución de materia ordinaria en la Vía Láctea muestra que la región que rodea al Sol no es especialmente típica y por tanto no hay ninguna razón para que la materia oscura del halo galáctico en dicha región sea especialmente esférica; incluso yo lo dudaría respecto a la Vía Láctea en su conjunto.

Ahora mismo recuerdo también el reciente artículo en Investigación y Ciencia (Scientific American) sobre la posibilidad de que el plano galáctico de la Vía Láctea esté curvado. Por ahora es solo una hipótesis razonable, pero lo importante es que nos recuerda que la historia de nuestra galaxia ha sido muy accidentada y que asumir una distribución de materia oscura que no haya sufrido dichos avatares no es ningún modo razonable. Nuestra galaxia ha interaccionado con otras galaxias y sus halos galácticos también han sido afectados (recuerda que aunque la materia ordinaria interacciona con la oscura solo a través de la gravedad, todo el mundo cree que la materia oscura interacciona con la materia oscura de forma similar a como la materia ordinaria interacciona con la materia ordinaria). Te dejo esta imagen extraída del artículo de Leo Blitz, “El lado oscuro de la Vía Láctea,” Investigación y Ciencia, Diciembre 2011.

El segundo día de Moriond 2012 se ha dedicado a la materia oscura

Materia oscura en el cúmulo de galaxias de Abell 520. Más información en http://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/science/dark-matter-core.html.

Todo parece indicar que el día más interesante en Moriond 2012 será mañana miércoles, cuando se publiquen los resultados finales sobre el Higgs en los experimentos del Tevatrón en el Fermilab. Ayer lunes las presentaciones se centraron en la materia oscura. Por ahora lo único que sabemos de la materia oscura es que gravita y que hay materia oscura en lugares donde no hay materia ordinaria. La imagen compuesta que abre esta entrada, el cúmulo Abell 520, muestra la materia oscura en azul y la ordinaria en naranja; por qué están desacopladas, nadie lo sabe (más info en español en Kanijo, “El extraño comportamiento de la materia oscura confunde a los astrónomos,” Ciencia Kanija, 5 marzo 2012, traducción de un artículo de Andy Fell en UC News). En la imagen de abajo, el cúmulo de la bala, se interpreta que la materia oscura y la ordinaria están desacopladas porque hay dos cúmulos galácticos en colisión, pero esta explicación no parece funcionar con Abell 520; habrá que esperar a mejores simulaciones astrofísicas para entender lo que nos muestra el telescopio espacial Hubble.

Dos cúmulos galácticos en colisión con la materia oscura desacoplada de la ordinaria. Más información en http://en.wikipedia.org/wiki/Bullet_Cluster.

Para la mayoría de los astrofísicos de partículas, la materia oscura está formada por partículas que no interaccionan electromagnéticamente. La búsqueda de estas partículas es uno de los temas estrella en Moriond 2012. La explicación mejor considerada es la partícula supersimétrica más ligera (LSP) que actuaría como una partícula con masa que interacciona débilmente (WIMP) con la materia ordinaria, de ahí que esté desacoplada en los cúmulos que ilustran esta entrada. La mayoría de los experimentos que buscan pruebas directas de la existencia de la materia oscura muestran resultados negativos, o al menos no concluyentes. La excepción es DAMA, que ha encontrado una modulación anual cuyo origen podría ser el movimiento de la Tierra a través de la materia oscura galáctica; la mayoría de las presentaciones en Moriond 2012 se han centrado en cómo cada experimento confirma o refuta este resultado de DAMA. Por ejemplo, Nader Mirabolfathi nos informa que CDMS II (Cryogenic Dark Matter Search), experimento situado en la mina Soudan, Minnesota, EE.UU., no ha observado ninguna modulación anual; habrá que esperar a SuperCDMS SNOlab que será un orden de magnitud más sensible. Por el contrario, Michael Marino nos informa uqe CoGeNT (Coherent Germanium Neutrino Technology), también situado en la mina de Soudan, sí ha observado la modulación anual; además, los últimos resultados confirman que no es debida al flujo de muones en los rayos cósmicos; el experimento sigue tomando datos y muchos aún no han sido analizados. Josef Pradler discute este asunto en más detalle; la correlación estadística entre las modulaciones de DAMA y CoGENT es muy fuerte; por otro lado, no hay correlación con la modulación anual del flujo de muones de los rayos cósmicos medida por LVD (Large Volume liquid scintillator Detector) en Gran Sasso, cerca de Roma. Jeter Hall ha discutido los resultados de COUPP y Seung Cheon Kim los de KIMS, nada reseñable, por ahora, en mi opinión.

Maxim Pospelov discute los diferentes modelos teóricos (y las diferentes partículas) que pueden explicar la materia oscura; la más curiosa son los modelos exóticos del bosón de Higgs. Tsvi Piran discute los límites astrofísicos para las violaciones de la invarianza Lorentz en la escala de energía de Planck; los mejores límites actuales apuntan a que estas violaciones no se dan por debajo de 10¹⁹ GeV y con toda seguridad no por debajo de 0,5 × 10¹⁸ GeV; los aficionados a afirmar que Einstein está equivocado deberían conocer en detalle estos resultados astrofísicos. La búsqueda de axiones en CAST nos la cuenta Papaevangelou; tras doce años de búsqueda no se ha encontrado nada.

El lunes por la tarde varias charlas se dedicaron a la física de los mesones B y la violación de la paridad. La parte teórica la discute Alexander Lenz en “Theoretical update on B-mixing“; los cálculos teóricos (más allá de NLO) son muy complicados y la incertidumbre en el resultado es grande, aún así parece que el modelo estándar suprime este efecto, por lo que su análisis experimental podría apuntar a nueva física. Los resultados experimentales de LHCb tras analizar todas las colisiones de 2011 apuntan en la misma dirección, las violaciones CP en la mezcla de mesones Bs está fuertemente suprimida, confirmando el modelo estándar y eliminando posibles incertidumbres al respecto obtenidas en los experimentos del Tevatrón (D0 y CDF); nos lo ha contado Peter Clarke en “LHCb Results on CP Violation in Bs Mixing;” el resultado clave se muestra en la figura de abajo; sobran las palabras. Todas las señales observadas en DZero y CDF eran una falsa alarma, como también nos recuerda Ulrich Haisch en “New physics in Bs mixing and decay;” el modelo estándar sigue tan robusto como siempre. LHCb tiene un gran programa para la búsqueda de cosas “raras” en la física de los mesones Bs como nos cuenta el español José Ángel Hernando Morata (Universidade de Santiago de Compostela), on behalf of the LHCb collaboration, “Rare decays in LHCb.” Recomiendo la lectura de “El experimento LHCb abre la puerta a la comprensión de por qué la materia venció a la antimateria,” CPAN Ingenio, 1 marzo 2012, para más información en español sobre LHCb.

Las transparencias de algunas de las charlas del lunes por la tarde aún no están disponibles, igual que las de hoy martes por la mañana. Las otras que están disponibles ahora mismo me han parecido menos interesantes.

PS: Más información técnica sobre los resultados de LHCb presentados en Moriond 2012 en la página web de este experimento. Resumiendo en español:

“5 March 2012 (1): Search for New Physics, an important milestone. [ Branching ratio B⁰_s →μμ < 4.5x10^-9 at 95% CL ]” nos informa que la frecuencia de desintegración del mesón B_s en un par de muones de carga opuesta es menor de 4,5 milmillonésimas, compatible con el valor predicho por el modelo estándar de unas 3 milmillonésimas (más´información en CERN Press Release, CERN Bulletin article, CERN Quantum Diaries blog y en el LHCb staff page).

“5 March 2012 (2): Heavier strange-beauty lives longer and improved φ_smeasurements. [ φ_s = -0.002 ± 0.083 ± 0.027 rad]” nos informa de la confirmación del modelo estándar en la medida de las propiedades de los mesones B_s, un resultado importante para conocer el origen de la asimetría materia-antimateria. El modelo estándar predice un valor pequeño para el parámetro φ_s (ver la figura justo arriba); los mesones B_s son un estado mezcla de dos estados con masa diferente, uno más pesado y el otro más ligero, cuya diferencia de masa Δm_s en función del parámetro φ_s determina el efecto de la asimetría materia-antimateria; la figura de arriba muestra en vertical la diferencia entre la vida media ΔΓ_s de los dos estados de los mesones Bs, pesado y ligero. Tras analizar los datos de 2011, el resultado φ_s = -0.001 ± 0.101 ± 0.027 rad (para la desintegración del B_s en un mesón J/ψ y otro φ), que combinado con el resultado para la desintegración del B_s en los mesones J/ψ y f₀(980) conduce a un valor final de φ_s = -0.002 ± 0.083 ± 0.027 rad; que confirma el modelo estándar (published article). Más informacíon en CERN Press Release, CERN Bulletin article, CERN Quantum Diaries blog y en el LHCb staff page.

“5 March 2012 (3): First evidence for CP violation in the decays of B_smesons.” La violación de la simetría materia-antimateria requiere que el modelo estándar viole la simetría CP y es bien conocido que lo hace en la física de los mesones K⁰ y B⁰ (aunque no la cantidad suficiente, luego debe haber otras fuentes de asimetría CP). LHCb publica en Moriond 2012 sus últimos resultados sobre la violación de la simetría CP en la desintegración de los mesones D⁰. El artículo técnico ha sido enviado a Physical Review Letters confirma los resultados previos publicados en el verano del año pasado. El valor medido para el parámetro de asimetríca CP en los mesones B⁰_d es A_CP = -0.088 ± 0.011 ± 0.008 (que confirma la violación a 6 σ); para los mesones B⁰_s el parámetro A_CP = 0.27 ± 0.08 ± 0.02 (que confirma la violación a 3,3 σ). Por ahora solo se han analizado un tercio de todos los datos de colisiones recogidos en 2011 (el análisis es difícil y el resultado para el resto se publicará a finales de este año). Más información en CERN Press Release, CERN Bulletin article, CERN Quantum Diaries blog y en el LHCb staff page.

Carati, la materia oscura y la curva de rotación galáctica universal

Un artículo que afirma poder explicar las curvas de rotación galáctica sin utilizar la materia oscura, escrito por Andrea Carati (ArXiv:1111.5793) ha causado cierto revuelo en la web. Varios lectores me habéis pedido que dé mi opinión. Poco puedo aportar que no se haya dicho ya. El artículo de Carati no tiene ni pies ni cabeza. Yo me enteré gracias a Twitter, que apuntaba a un artículo en Universe Today (cuya traducción al español ha llegado a portada en Menéame). Quizás conviene leer lo que dice Mario Herrero, ”¿Ha tirado por la borda un matemático la hipótesis de la materia oscura?,” Stringers.es, 6 dic. 2011, en su último párrafo: “Carati, entre sus premisas, contiene un razonamiento circular. Está intentando demostrar que los efectos de la masa a gran distancia pueden explicar las curvas de rotación galácticas, pero para ello [usa] la Ley de Hubble, cuya demostración general implica haber despreciado efectos a larga distancia (lo que los físicos llamamos quedarnos a primer orden)… luego está intentando demostrar una hipótesis partiendo de un razonamiento que contiene la negación de esa misma hipótesis.” No hay que llegar tan lejos para darse cuenta de que Carati no tiene mucha idea de lo que habla. 

Una cosa que me sorprendió cuando leí el artículo de Carati es su ignorancia sobre la existencia de una curva de rotación galáctica universal para las galaxias espirales. Craso error para alguien que pretende explicar las curvas de rotación galáctica con una nueva ley universal. De hecho, he podido comprobar en los comentarios de quienes me pedían que hablara sobre Carati, que hay mucha gente que ignora la existencia de esta curva (descubierta en 1991 e intuida antes) y cuáles son sus características más importantes. La podéis ver en la figura de arriba, extraída del artículo de P. Salucci et al., “The Universal Rotation Curve of Spiral Galaxies. II The Dark Matter Distribution out to the Virial Radius,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 378: 41-47, 2007 [arXiv:astro-ph/0703115], que es la segunda parte de M.Persic et al., “The Universal Rotation Curve of Spiral Galaxies: I. The Dark Matter Connection,” Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 281: 27-47, 1996 [arXiv:astro-ph/9506004]. Recomiendo la lecutra de este artículo a los interesados en más detalles técnicos, que incluyen una fórmula matemática para la curva universal. Por supuesto, hay unas pocas galaxias que no cumplen con esta ley universal, las excepciones que confirman la regla; los interesados pueden consultar este reciente artículo de los mismos autores I.A. Yegorova et al., “Rotation curves of luminous spiral galaxies,” ArXiv: 1110.1925, 10 Oct. 2011.

¿Por qué gente como Carati no se molesta en estudiar lo que todo el mundo sabe antes de proponer sus ideas descabelladas? Lo mismo ha pasado recientemente con los neutrinos de OPERA. Y seguirá pasando…

PS (7 dic. 2011): Recomiendo la lectura de “Carati el crucificado y su propuesta de NO-materia oscura,” Cuentos Cuánticos, 7 dic. 2011. Una crítica comedida pero certera del artículo de Carati que deja una puerta abierta, como debe ser, … ¿Sabrá recoger Carati el guante?

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).

El chorro de estrellas de Sagitario como responsable de los brazos espirales y el núcleo barrado de la Vía Láctea

Nuestra galaxia, la Vía Láctea, es una galaxia espiral con un núcleo barrado, pero nadie entiende el porqué. La explicación podría ser el canibalismo galáctico. En concreto, la interacción entre nuestra galaxia y una galaxia elíptica enana llamada Sagitario que se encuentra muy cerca del disco galáctico, pero en el lado opuesto a nuestro Sol respecto al centro galáctico. Así lo concluye un nuevo estudio numérico publicado en Nature. ¿Cómo es posible que una galaxia tan pequeña puede haber tenido tanta influencia? La respuesta, según una extrapolación realizada en el estudio, es que la masa original de Sagitario era 100 000 veces mayor que la que se observa en la actualidad. Sagitario era enorme y su interacción con la Vía Láctea modeló la estructura a gran escala de nuestra galaxia. Un interesante estudio que traerá polémica, sin lugar a dudas. Nos lo cuenta Curtis Struck, “Astrophysics: Rough times in the Galactic countryside,” Nature 477: 286–287, 15 September 2011, haciéndose eco del artículo técnico de Chris W. Purcell et al., “The Sagittarius impact as an architect of spirality and outer rings in the Milky Way,” Nature 477: 301–303, 15 September 2011.

La figura que abre esta entrada muestra una imagen de los enormes chorros de materia y estrellas que atraviesan el plano de la galaxia espiral NGC 5907, prueba de que esta galaxia ha canibalizado a una pequeña galaxia elíptica. Una imagen similar de nuestra Vía Láctea es imposible de obtener, salvo mediante simulaciones numéricas, como la imagen de más abajo. Los astrónomos han observado trozos de estos chorros en nuestra galaxia en la última década, pero son muy débiles y muy difíciles de estudiar. Por supuesto, el más estudiado es el chorro de Sagitario, el producido por la interacción entre la Vía Láctea y la galaxia enana Sagitario que fue descubierta en 1994. Si el tamaño original de la galaxia Sagitario según los modelos teóricos de Purcell y sus colegas era unas 100 000 veces más masa que la observada en la actualidad, los chorros de materia y estrellas que atraviesan nuestra galaxia tienen que ser enormes. Futuros telescopios quizás sean capaces de observarlos en todo su esplendor.

Las simulaciones por ordenador del canibalismo galáctico requieren incluir la cantidad de materia oscura que hay en el halo galáctico de la Vía Láctea así como la cantidad de materia oscura que se supone que tenía originalmente la galaxia Sagitario (en la actualidad su materia oscura es muy pequeña porque la ha perdido en los grandes chorros producidos durante la interacción con la Vía Láctea). Los autores del estudio han estimado la cantidad de materia oscura a partir del modelo cosmológico de consenso ΛCDM (donde Λ representa la expansión cósmica acelerada del Universo y CDM que la materia está dominada por materia oscura fría). El resultado estimado indica que su masa original era entre 10 ^10,5 y 10 ¹¹ M _⊙ (donde M _⊙ es la masa del Sol).

Las simulaciones por ordenador indican que las interacciones entre Sagitario y la Vía Láctea fueron las responsables de la formación de los grandes brazos espirales de nuestra galaxia y de su núcleo barrado. Bastan tres cruces de Sagitario a través del plano galáctico para formar las características observadas en la actualidad. En estas colisiones la galaxia enana pierde enormes cantidades de masa; por ejemplo, en la primera colisión se estima que perdió del orden del 75% de su materia oscura. Aunque los resultados precisos son sensibles a las condiciones estelares iniciales, los autores del estudio han realizado gran número de simulaciones con diferentes distribuciones de materia. Aunque todas las simulaciones no coinciden con las características observadas, sorprende que las diferencias sean más pequeñas de lo esperado. La formación de brazos y de un núcleo barrado parece una característica genérica resultado del canibalismo galáctico.

La decisión final sobre si los resultados de las simulaciones son correctos vendrá a partir de las observaciones detalladas de los grandes chorros de materia y estrellas que rodean a nuestra galaxia. La cinemática y las propiedades de estos chorros de desechos de Sagitario debidos a las corrientes de marea gravitatorias de nuestra galaxia permitirá confirmar las simulaciones numéricas. Una vez confirmado, nuevas simulaciones permitirán estudiar el futuro de la evolución de nuestra galaxia, que como todos sabemos, acabará colisionando contra nuestra galaxia “hermana” Andrómeda.

PS: En ABC tenéis un vídeo de las simulaciones que merece la pena ver: J. de Jorge, “¿Cómo le salieron los brazos a nuestra galaxia?,” ABC Ciencia, 14 sep. 2011.