Colisiones protón-protón a 57 TeV c.m. en los rayos cósmicos (siete veces más que en el LHC en 2012)

El argumento más claro para demostrar que en el LHC del CERN las colisiones protón contra protón a un máximo de 14 TeV c.m. no pueden producir agujeros negros “peligrosos” para el planeta Tierra es que todos los días se producen colisiones a mayor energía entre protones de los rayos cósmicos y los protones de las moléculas del aire en la atmósfera. Gracias a ellas, el Observatorio Pierre Auger ha determinado que la sección eficaz de colisión (inelástica) tipo protón contra protón en una colisión a 57 TeV c.m. es de σ(p−p) = 92 ± 7 (stat) ± 11 (syst) ± 7 (Glauber) mb (milibarns); este valor ha sido obtenido por extrapolación utilizando el modelo de Glauber aplicado a la colisión entre un protón y una molécula del aire, determinada de forma experimental como σ(p−air) = 505 ± 22 (stat) ± 36 (syst) mb (milibarns) para una energía en el centro de masas de la colisión de 57 ± 0,3 (stat) ± 6 (syst) TeV. Recuerda, 57 TeV es una energía en el centro de masas unas 7 veces mayor que los míseros 8 TeV c.m. que se han alcanzado en el LHC del CERN en el año 2012, y unas 4 veces mayor que los 14 TeV c.m. de energía máxima que se podrían alcanzar algún día (podrían pues en 2015 se espera que las colisiones se reinicien a 13 TeV c.m. y se podrá subir este valor dependiendo del éxito de la reparación a la que será sometido el LHC entre 2013 y 2014). El artículo técnico para los interesados en más detalles es Jan Ebr (for the Pierre Auger Collaboration), ”Measurement of the proton-air cross-section at sqrt(s) = 57 TeV with the Pierre Auger Observatory,” arXiv:1212.4053, 17 Dec 2012.

El limbo de la Tierra visto en rayos gamma por el telescopio Fermi LAT de la NASA

La fuente más brillante de rayos gamma que puede observar el telescopio espacial Fermi LAT de la NASA es el limbo de la Tierra. Los protones de alta energía que inciden en la atmósfera terrestre producen los rayos cósmicos, cascadas de partículas, que observamos en la superficie, pero además producen partículas rayos gamma (fotones de alta energía) que abandonan la atmósfera en una dirección tangencial en el limbo de la Tierra. Nos presenta esta curiosa imagen (que yo no había visto hasta ahora) Igor V. Moskalenko (Stanford Univ.), “Cosmic Rays in the Milky Way and Beyond,” SpacePart2012, Nov. 6, 2012 [slides, vídeo 28 min].

Otro misterio sin respuesta: El incremento de los rayos cósmicos ocurrido en el año 774-775 d.C.

El análisis mediante carbono 14 de los anillos en ciertos cedros japoneses muestra un incremento del 12 por mil entre los años 774 y 775 d.C. Este incremento es único en los últimos 10.000 años y por ahora no tiene ninguna explicación. Un resultado sorprendente que se ha publicado, como no, en Nature. Los autores de la nueva medida afirman que las características del incremento del carbono 14 observado no se pueden explicar ni con una llamarada solar muy intensa, ni por el efecto de una supernova cercana. Por alguna razón misteriosa el flujo de rayos cósmicos sobre Japón se incrementó de forma ostensible ese año. El artículo técnico es Fusa Miyake et al., “A signature of cosmic-ray increase in AD 774–775 from tree rings in Japan,” Nature, Published online 03 June 2012.

El incremento del contenido de carbono 14 en el año 775 de alrededor del 12 ‰ es unas 20 veces mayor que el esperado debido al ciclo solar (de Schwabe) que tiene un período de 11 años, cuyo efecto promedio en las concentraciones de carbono 14 en la atmósfera es solo de un 3 ‰. Solo se conocen dos fenómenos capaces de cambiar la intensidad de los rayos cósmicos solo en el periodo de un año: una explosión de supernova o una llamarada solar muy intensa (que emite un gran flujo de  protones). Los autores del estudio no han detectado ningún aumento apreciable del carbono 14 asociado a las supernovas SN 1006 y SN 1054; según las simulaciones por ordenador desarrolladas por los autores, si en el año 775 d.C. hubo una supernova tuvo que ser mucho más intensa que éstas, pero no hay registros históricos al respecto. Además, suponiendo que se tratara de una supernova situada a una distancia similar a la de la supernova SN 1006 (unos 2 kpc) resulta que la liberación de energía en esta explosión debería ser unas 100 veces más intensa que la típica para una supernova. Por otro lado, también se descarta que se trate de una superllamarada solar (en su caso sería el primer ejemplo). Además del incremento en el carbono 14 se ha observado un pico en el berilio 10, cuyas características lo hacen incompatible con una llamarada solar.

En resumen, los autores afirman que con el conocimiento actual es imposible determinar la causa del incremento del carbono 14 observado en el año 775. La ciencia progresa a base de preguntas sin respuesta y este ejemplo ilustra a las mil maravillas la importancia de las serendipias (hallazgos afortunados o inesperados).

ANITA, el experimento que utiliza a toda la Antártida como detector

ANITA (ANtarctic Impulsive Transient Antenna) es un experimento que utiliza antenas de radio (200-1200 MHz) colocadas en un globo aerostático para detectar la radiación de Cerenkov emitida por rayos cósmicos y neutrinos de alta energía que inciden sobre la Antártida (el continente antártico). ANITA se eleva a unos 36,5 km de altura en la vertical de un punto colocado en el polo sur magnético, donde las líneas del campo geomagnético son casi verticales (la componente vertical varía entre 30 y 60  μT, y la horizontal entre 0 y 20 μT). Gracias a la polarización de las ondas de radio las antenas pueden detectar neutrinos UHE o de muy alta energía (polarización vertical) y otros rayos cósmicos (polarización horizontal). ANITA-1 y ANITA-2 volaron durante las fiestas navideñas de 2006 y 2008, y ANITA-3 lo hará en 2013. Todavía no se ha detectado ningún neutrino UHE (tampoco lo ha hecho IceCube ni ningún otro detector); el único evento observado se considera compatible con la hipótesis de que era ruido en los detectores. Se observaron 16 rayos cósmicos (sobre un fondo de ruido de 2) cuyo origen se determinó con un error angular de 0,75° × 0,3°.  Nos lo ha contado Stephen Hoover, “When a Continent Is Your Detector. Finding Cosmic rays above Antarctica,” APS DPF Annual Meeting, 13 August 2011.

 

La búsqueda del antiuniverso desde la Estación Espacial Internacional

Ninguna ley física prohíbe que haya grandes regiones del cosmos repletas de antimateria, con antigalaxias, antiestrellas e incluso antiplanetas habitados con antivida. “Si hay materia, debería haber antimateria. La gran pregunta es ¿qué lugares del universo están hechos de antimateria?” afirma Samuel Ting (Premio Nobel de Fïsica 1976) del MIT (Massachusetts Institute of Technology). Sin embargo, la mayoría de los físicos cree que si las regiones de antimateria existen deberían haber sido observadas gracias a las partículas de luz que se emiten por la aniquilación de la antimateria y la materia en la frontera de estas regiones de antiuniverso. El Espectrómetro Magnético Alfa (AMS-02), que algunos llaman el “juguetito de Ting,” un juguete caro porque ha costado unos 2000 millones de dólares, será instalado por la NASA en la Estación Espacial Internacional (ISS) para observar las posibles señales del antiuniverso. Las encuentre o no las encuentre, AMS-02 realizará medidas de alta precisión de la composición de los rayos cósmicos que inciden en la Tierra de gran interés en astrofísica y en física de partículas elementales. Por ejemplo, contará los positrones (la antimateria del electrón) que podrían ser señales de la materia oscura (la colaboración italorusa PAMELA observó un exceso de positrones en 2009 achacado por muchos a la aniquilicación de materia oscura en el halo galáctico de la Vía Láctea). AMS-02 también estudiará la materia extraña (en teoría la materia más estable que existe) que podría dar lugar a estrellas exóticas muy compactas; la misión de prueba AMS-01 que se instaló en la Estación Espacial rusa Mir detectó ciertos indicios de materia extraña que requerirán una confirmación con AMS-02 y que no han sido publicados. Dan Goldin, ex-director de la NASA, quería que el objetivo de la ISS fueran misiones científicas, pero los recortes frustaron sus deseos. Quizás la AMS-02 acabe siendo la estrella científica de la ISS tan deseada por Goldin. Nos lo ha contado Eugenie Samuel Reich, “Antiuniverse here we come. A controversial cosmic-ray detector destined for the International Space Station will soon get to prove its worth,” News, Nature 473: 13-14, Published online 4 May 2011.

Por cierto, a día de hoy, el lanzamiento de la AMS-02 hacia la ISS, previsto para el pasado 29 de abril,  se ha retrasado sin fecha concreta. Ya os mantendré informado.

La NASA retrasa por enésima vez el lanzamiento del espectrómetro AMS-02 hacia la ISS

Los lanzamientos de los transbordadores espaciales siempre están repletos de incidencias (y esta entrada también ha estado sujeta a muchas incidencias). Así que cambio por enésima vez el título y quito los párrafos que taché…

El 29 de abril, a las 3:47 p.m. EDT, es decir, a las 21:47, hora de Madrid, el transbordador espacial Endeavour iba a dar inicio a la misión STS-134 que llevaría el espectrómetro AMS-02 hasta la Estación Espacial Internacional. El lanzamiento se podría haber visto en directo en la web del CERN seguiendo este enlace.

Quizás sea el momento de recordar algunas cosas sobre la AMS-02, para los despistados que no la conozcan. Te recomiendo el artículo de Manuel Aguilar Benítez de Lugo, “En busca de la antimateria perdida,” Real Academia de Ciencias, Exactas, Físicas y Naturales, Director del Departamento de Investigación Básica del CIEMAT, 2010. Os extraigo algunos párrafos, para abrir boca, lo que no quita que también os recomiende su lectura detallada. Las imágenes con las que acompaño esta entrada están extraídas de J. Casaus, “The AMS Experiment on the ISS,” Discrete-08, Valencia (Spain), 2008.

“El estudio de la radiación cósmica ha sido la herramienta fundamental para avanzar en el conocimiento del Universo. El espectrómetro AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) será instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS por International Space Station) y realizará medidas precisas y de larga duración de las componentes electromagnética y cargada de la radiación cósmica en ausencia de contaminación atmosférica. La ISS (el instrumento de coste más elevado construido hasta la fecha, con un coste estimado de 157 mil millones de dólares, más de 25 veces el coste del acelerador LHC (Large Hadron Collider) en el CERN) es un lugar privilegiado para el estudio de la radiación cósmica primaria, al eliminar los problemas derivados de la existencia de atmósfera. Sin embargo, las restricciones impuestas por el limitado suministro eléctrico y el peso de la instrumentación, así como las implicaciones debidas al entorno de vacío, microgravedad, radiaciones y variaciones de temperatura, constituyen un enorme desafío para el diseño, construcción y operación de instrumentación del tipo de la utilizada en experimentos de física de partículas. El instrumento AMS─02 constituye un esfuerzo pionero para el aprovechamiento del extraordinario potencial de la Estación Espacial Internacional para el desarrollo de un ambicioso programa de investigación en Astrofísica de Partículas.

En 1994 el Profesor S. S. C. Ting, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Premio Nobel de Física en 1976, propuso al Departamento de Energía (DOE) de los Estados Unidos la construcción de un detector de altas prestaciones para ser instalado a bordo de la ISS. El peso del detector y su consumo eléctrico debían respetar las limitaciones impuestas por la NASA (6700 kg y 2 kilovatios de potencia). El éxito científico de una misión espacial depende del correcto funcionamiento de todos los sistemas que componen el instrumento en las condiciones hostiles espaciales: aceleración 3’0 g en el despegue, deceleración 6’5 g en el aterrizaje, vibraciones (150 dB), gradientes de temperatura del orden de 100 ºC (−65 ºC / +40 ºC), radiación ambiental, alto vacío, microgravedad, impacto de micro-meteoritos, etc. Además, la instrumentación espacial exige un alto grado de redundancia para evitar posibles fallos.

En 1995 nació la Colaboración Internacional AMS que construiría el instrumento en dos etapas. En una primera etapa la Colaboración construiría un instrumento prototipo (AMS-01) que validaría el concepto experimental en un vuelo precursor de uno de los trasbordadores a la estación espacial rusa MIR. En una segunda etapa se construiría un instrumento (AMS-02), con los últimos avances tecnológicos, que sería transportado a la ISS en donde permanecería instalado por un periodo no inferior a 3 años. El AMS─01 tomó datos a bordo de la estación espacial MIR durante el periodo 2─10 de Junio de1998, recolectando unos ~100 millones de rayos cósmicos. Su éxito científico-técnico confirmó que es posible realizar medidas de alta precisión de espectros de partículas cargadas de alta energía en el espacio.

La contribución española al proyecto del AMS-02, organizada desde el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas), se ha focalizado en el diseño y construcción, por la empresa CRISA, de los sistemas electrónicos que permiten cargar eléctricamente el imán superconductor, monitorizar y controlar su operación (Cryomagnet Avionics Box, CAB) y en el diseño y construcción del contador Cherenkov (RICH).

Durante los primeros tres años de operación AMS-02 puede acumular estadísticas importantes de los núcleos más abundantes presentes en la radiación cósmica. Por ejemplo: ~10⁸ protones con energías > 100 GeV, ~10⁷ núcleos de helio con energías > 100 GeV/nucleón, y ~10⁵ núcleos de carbono con energías > 100 GeV/nucleón. Estas muestras estadísticas y la precisión en la determinación de las propiedades de las partículas que forman la radiación cósmica, debido a las altas prestaciones del instrumento, van a permitir desarrollar un variado y novedoso programa de investigación:

• Estudio de precisión de la composición y propiedades de los rayos cósmicos en rangos de energía de hasta 1 TeV.
• Estudio de la radiación gamma difusa en el intervalo de energía 0’1 GeV – 1 TeV.
• Estudio de la emisión de rayos gamma con energías superiores a varios GeV en pulsares  en la Vía Láctea.
• Búsqueda de antimateria cósmica primaria. Con una muestra de 2×10⁹ núcleos de helio con energías hasta los 2 TeV, en caso de no encontrarse ningún núcleo de antihelio, será posible excluir la existencia de antimateria hasta el confín observable del Universo (~1000 Mpc, ~3×10²⁴ km).
• Evidencia y naturaleza de la materia oscura. El estudio de la dependencia con la energía de la fracción de positrones  (e⁺) sobre el total de electrones y positrones (e⁺+e^-) podría revelar la existencia de nuevas partículas compatibles con la abundante presencia de materia oscura. En caso de descubrirse otros posibles candidatos (p. ej. partículas supersimétricas) en experimentos con aceleradores de partículas, el estudio comparativo de las características de ambas señales podría ser de gran interés.     
• Búsqueda de nuevas formas de materia en el Universo, por ejemplo núcleos de materia compuestos de super-nucleones formados por tres tipos de quarks (u, d, s). Este tipo de núcleos, denominados “strangelets”, se caracterizan por tener pequeños valores del cociente Z/A (~0’1) a diferencia de lo que ocurre en los núcleos ordinarios (Z/A~0’5). Algunas hipótesis apuntan a que las estrellas de neutrones son en realidad un único gigantesco “strangelet”.

El objetivo científico más atractivo del programa de AMS-02 es la exploración de lo desconocido, la búsqueda de fenómenos que existen en la Naturaleza y que nunca habíamos imaginado o para los que no estábamos equipados con la adecuada instrumentación. La versatilidad y prestaciones de AMS-02 hacen que sea considerado ya como el “Telescopio Hubble” para partículas cargadas.

Como se ha constatado en repetidas ocasiones, la Ciencia produce resultados que con frecuencia desafían la intuición humana. Es uno de sus aspectos fascinantes. Como también lo es que muchos de estos inesperados resultados han propiciado cambios radicales en la forma de vida de los seres humanos. Es altamente probable, por no afirmar que inevitable, que la investigación realizada desde la Estación Espacial Internacional con instrumentación novedosa produzca resultados no esperados y contribuya de forma relevante al proceso de acopio de conocimiento científico-técnico en física fundamental y en otras disciplinas, en particular en el campo de la exploración espacial y del conocimiento del Universo.”

Más en este blog sobre la AMS-02: “El lanzamiento del AMS-02 se retrasa hasta el 29 de abril de 2011,” 17 abril 2011.

La importancia de las colisiones en el LHC del CERN en la interpretación de los rayos cósmicos ultraenergéticos (UHECR)

Los programas de ordenador (QGSJET, EPOS o SIBYLL) utilizados para interpretar el comportamiento de los rayos cósmicos ultraenergéticos (UHECR), cientos de veces más energéticos que el LHC del CERN o que el Tevatrón del Fermilab, se basan en extrapolar los resultados obtenidos con estos colisionadores. Y todo el mundo sabe que extrapolar siempre es pernicioso. Hoy en día se extrapolan las colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón a 1’96 TeV c.m. y las colisiones protón-protón en el LHC a 0’9, 2’36, y 7 TeV c.m. ¿Qué pasa si no se tienen en cuenta estas últimas? Los programas de ordenador fallan a la hora de explicarlas (nuevas versiones de programas como PYTHIA y PHOJET han de ser publicadas cada vez que crece la energía de las colisiones). Pero como estos programas se utilizan para entender colisiones cientos de veces más energéticas (normalizando la energía de los rayos cósmicos a la equivalente en colisiones de protones), ¿cómo fallarán estos programas a dichas escalas? ¿Realmente se pueden usar estos programas con seguridad para interpretar las observaciones de rayos cósmicos UHECR? Nos cuentan sus dudas al respecto David d’Enterria et al., “Constraints from the first LHC data on hadronic event generators for ultra-high energy cosmic-ray physics,” ArXiv, 28 Jan 2011; antes también lo hicieron O. Adriani et al., “Early results of the LHCf Experiment and their contribution to Ultra-High-Energy Cosmic Ray Physics,” ArXiv, 7 Dec 2010. Obviamente, aunque podamos tener dudas, no queda otro remedio que utilizar estos programas; D’Enterria et al. nos recomiendan usar siempre la última versión disponible (cuyos parámetros estén ajustados a las colisiones de mayor energía estudiadas en el LHC).

La verdad es que la mayoría de los físicos (y no digamos los legos) no piensan en estas cuestiones. Se da por hecho que el modelo estándar está bien comprendido a todas las energías alcanzables. Se considera que los únicos que tienen que preocuparse de estos asuntos “técnicos” son los que buscan nueva física más allá del modelo estándar en el LHC. Pero saber qué es lo que predice el modelo estándar no es trivial y el uso de programas de ordenador que simulan las desintegraciones y las colisiones de partículas elementales es un requisito imprescindible (a mano es imposible realizar los cálculos). Los parámetros de estos programas dependen de la energía y no pueden ser determinados de forma teórica con precisión. Las primeras colisiones en cualquier nuevo colisionador se utilizan para ajustar dichos parámetros y adaptar los programas a dicho colisionador. Por ejemplo, los ajustes obtenidos para las colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón del Fermilab a 1’96 TeV c.m. no pueden ser utilizados para las colisiones protón-protón en el LHC del CERN a 7 TeV c.m., y ¡¡solo hay un factor de 3’5 en la energía de las colisiones!! El año 2010 en el LHC del CERN ha servido para ajustar estos parámetros con gran precisión, algo que agradecen los físicos que estudiarán las colisiones en el LHC durante 2011 y 2012. Pero no sólo ellos, también los que tratan de entender los rayos cósmicos.

El observatorio Pierre Auger de rayos cósmicos afirma que los de mayor energía parecen núcleos de hierro en lugar de protones

Comparación entre resultados experimentales y teóricos para la profundidad de la "lluvia aérea" de rayos cósmicos: valor medio <Xmax> y error cuadrático medio RMS(Xmax). Las curvas teóricos corresponden a diferentes modelos para los rayos cósmicos, desde protones a iones de hierro. (C) Pierre Auger Collaboration.

La máxima energía que alcanzará el LHC del CERN en el centro de masas será de 14 TeV (teraelectronvoltios), 14 billones de electronvoltios, para colisionés p-p (protón contra protón), pero será sólo de 8’8 TeV para colisiones p-Pb (protón contra núcleo de plomo) y de 5’5 TeV para colisiones Pb-Pb (que serán estudiadas por el experimento ALICE). Estas energías son moco de pavo comparadas con las que se observan en los rayos cósmicos más energéticos detectados. Rayos cósmicos con energías de decenas de millones de TeV, es decir, de EeV (exaelectronvoltios = 10⁶ TeV = 10¹⁸ eV). Lo sorprendente es que un estudio reciente apunta a que dichos cósmicos no son protones, como se pensaba, sino núcleos de hierro (Fe). Alucinante. Núcleos de hierro que inciden en la Tierra con una energía de exaelectronvoltios. Así lo ha descubierto la Colaboración Pierre Auger que ha publicado el artículo técnico (ya aceptado en PRL) The Pierre Auger Collaboration, “Measurement of the Depth of Maximum of Extensive Air Showers above 10¹⁸ eV,” ArXiv, 3 Feb 2010. Visto gracias a “Highest Energy Cosmics Rays are Iron Nuclei!,” Collider Blog, 3 Mar. 2010.

¿Lo que constituya los rayos cósmicos tiene una masa que crece conforme la energía crece hasta alcanzar los 59 EeV? ¿La composición de los rayos cósmicos varía conforme la energía aumenta? En dicho caso, ¿dónde se pueden originar estos núcleos de hierro? ¿Qué fuerzas del universo son capaces de acelerarlos a energías tan altas? Muchas preguntas y por ahora pocas respuestas. Los físicos del Pierre Auger no se atreven a hacer conjeturas. Ofrecen sus datos, lanzan el guante y esperan a que otros lo recojan y traten de darle sentido. ¡Increíble! Como afirmó el físico Isidor Isaac Rabi (Premio Nobel en 1944) “Who ordered that?“

El espectro de energía (der.) de los rayos cósmicos de alta energía observados por la Colaboración Pierre Auger cambia muy poco en función de su composición (izq.), tanto si son protones como si son núcleos de hierro. El espectro (der.) se ajusta bien mediante leyes de potencia.

Lo sorprendente es que el ajuste entre teoría y experimento para el espectro de energía de los rayos cósmicos de alta energía observados por la Colaboración Pierre Auger no se ve muy afectado por la composición de estos rayos cósmicos. Tanto si son protones como si son núcleos de iones pesados los resultados observados en los detectores se explican bien con los modelos teóricos. El espectro fue publicado recientemente en (artículo aceptado en Physics Letters B) The Pierre Auger Collaboration, “Measurement of the energy spectrum of cosmic rays above 10¹⁸ eV using the Pierre Auger Observatory,” ArXiv, 9 Feb 2010. El espectro se puede describir muy bien mediante leyes de potencias de tipo E^–γ con γ=3’3 por debajo de las energías con log10(E/eV) = 18’6. Por encima se requiere γ=2’6 combinada con algún mecanismo de supresión del flujo de rayos cósmicos para energías mayores que log10(E/eV) = 19’5.

¿Interesante? En este blog también puedes leer “La astronomía de partículas elementales en los rayos cósmicos ultraenergéticos,” 20 Abril 2009; ”La astronomía de partículas elementales en los rayos cósmicos ultraenergéticos,” 20 Abril 2009; “Posible correlación entre rayos cósmicos y cobertura nubosa, ficción o realidad,” 5 Septiembre 2008; y “Duro revés a la hipótesis de que los rayos cósmicos son responsables del cambio climático,” 1 Mayo 2009.

Por qué el satélite Fermi no ha detectado materia oscura en nuestra galaxia

La figura de arriba muestra los resultados del Fermi LAT (Large Area Telescope) en azul, también llamado GLAST (Gamma-Ray Large Area Space Telescope), de EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope) en rojo, y de los modelos teóricos en línea continua.

El año pasado fue el año de la materia oscura. Globos sonda para medir el flujo de rayos cósmicos (como ATIC) y satélites espaciales (como PAMELA) detectaron un exceso de ciertas partículas de alta energía. La evidencia pilló por sorpresa a muchos (era difícil de explicar). Los resultados provisionales (enero 2009) de Fermi, el telescopio orbital de rayos gamma de la NASA, también llamado LAT (Large Area Telescope), deberían confirmar dicho resultado. Pero no es así (ver figura). Los datos desde agosto/2008 hasta enero/2009 (más de 4 millones de electrones y positones estudiados) no observan ningún tipo de exceso en el rango de energías observado por ATIC (que sólo observó algunos miles) y corroboran los de PAMELA sólo de forma indirecta. ¿Cómo es posible? Todavía es pronto para saberlo, los resultados del Fermi son aún provisionales, pero los físicos de ATIC ya “tienen la mosca en la oreja.” El artículo técnico donde se ha publicado el análisis de la evidencia de materia oscura a partir de los datos (provisionales) del telescopio orbital de rayos gamma Fermi es Marco Regis, Piero Ullio, “Testing the Dark Matter Interpretation of the PAMELA Excess through Measurements of the Galactic Diffuse Emission,” ArXiv, Submitted on 29 Apr 2009 .

¿Cómo interpretar estos resultados? Por ahora es difícil. Para algunos es un duro golpe a las observaciones de ATIC y PAMELA (¡cómo no! Adrian Cho, “Lights Out for Dark Matter Claim?,” ScienceNOW Daily News, 2 May 2009 ). Para otros, aunque hay dudas sobre los datos de ATIC, parece que está claro que se ”confirman” los datos de PAMELA (por ejemplo, el políticamente correcto Ron Cowen, “Another clue in the case for dark matter. The Fermi Gamma-ray Telescope hasn’t ruled out earlier findings,” May 2nd, 2009 ). Por cierto, este último artículo ha sido traducido por Kanijo [si te gusta menéalo]. Los investigadores de ATIC creen que la conclusión obtenida con datos provisionales de Fermi es más provisional aún. Proclaman a cuatro voces que la resolución energética de Fermi es todavía pobre para llegar a dicha conclusión (así lo afirma John Wefel, IP del equipo del ATIC y astrofísico en la Louisiana State University, en Baton Rouge, EEUU).

Hay una explicación muy sencilla de los datos observados: los rayos cósmicos en el rango energético considerado por estas observaciones sufren algún tipo de evolución dinámica estacional (cambian con el tiempo). Dependiendo de la época del año el cociente entre positones y electrones a ciertas energías, el número de protones a otras, el número de electrones a otras, cambian. Por ello experimentos diferentes que miden estos rayos cósmicos en épocas diferentes del año y/o promedian dichos datos en meses sucesivos diferentes obtienen resultados “contradictorios.” Si es así, los datos de Fermi tras el primer año (que tendremos publicados en septiembre de 2009) lo permitirán confirmar o refutar. Quizás la posible evidencia de materia oscura se esfume en el oscuro firmamento. Quizás es nuestra ignorancia de los fenómenos violentos en nuestra galaxia la que nos hace ver materia oscura donde en realidad no la hay. ¿Qué puede producir dicha variación estacional? Que yo sepa [no soy experto] todavía no se tiene ni idea. 

En resumen, la materia oscura sigue tan “oscura” como siempre (ya lo decíamos en este blog). Habrá que esperar a la publicación oficial de los datos de Fermi y a su análisis detallado por parte de los especialistas. Isaac Newton estaba peleado con muchos otros pero tenía claro que sólo los experimentos son los que tienen la razón, aunque han de ser interpretados correctamente.

Más sobre materia oscura en este blog.

PAMELA encuentra pruebas de la existencia de materia oscura supersimétrica en la Vía Láctea (o WIMPS para todos) (Agosto 14, 2008)

Estimación de la materia oscura en el interior del sistema Tierra-Luna (Octubre 12, 2008)

El secreto de la materia oscura, ¿será desvelado antes de que empiece a funcionar el LHC? (Noviembre 22, 2008)

Más sobre la materia oscura y los electrones en los rayos cósmicos (Noviembre 25, 2008)

Sorpresas en el universo oscuro: Cada día explicar la materia oscura es más complicado (Marzo 30, 2009)

Duro revés a la hipótesis de que los rayos cósmicos son responsables del cambio climático

“Hypotheses non fingo.” Ya lo decía Newton en vida contra sus detractores (Huygens, Hooke, etc.). El método científico debe estar detrás de cualquier hipótesis sobre la realidad. Una pena que Newton nunca escribiera un libro o artículo metafísico sobre el método científico.

El cambio climático es algo muy importante, no sólo científicamente, también políticamente. La teoría del origen antropológico de los cambios que está experimentando el clima de la Tierra parece claro e indiscutible según las ideas de la corriente estándar en climatología. Sin embargo, hay voces en contra. Una de las teorías más discutidas en la Red de redes es su origen en los rayos cósmiscos, es decir, en la actividad solar. Ya hablamos de dicha posibilidad en este blog “Posible correlación entre rayos cósmicos y cobertura nubosa, ficción o realidad,” Septiembre 5, 2008 .

La actividad solar podría ser responsable de alterar la cobertura nubosa de tal forma que se produjera un efecto invernadero. La actividad solar genera rayos cósmicos que inciden sobre nuestra atmósfera (que nos protege de ellos). A más rayos cósmicos, más nubes y más efecto invernadero (idea de 1997 de los físicos Henrik Svensmark y Eigil Friis-Christensen con origen en los 1950). Sin embargo, un estudio computacional ha demostrado que su efecto sobre la atmósfera es unos 2 órdenes de magnitud más pequeño del necesario para explicar el cambio climático. Nos lo cuenta Richard A. Kerr, “Study Challenges Cosmic Ray–Climate Link,” Science, 324: 576 – 577, 1 May 2009 .

Ya nos lo decían desde el IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). No hay evidencia científica fiable para la correlación sugerida por Svensmark. Pero él y sus seguidores veían una conspiración de los “grandes” contra los ”pequeños,” de las “mayorías” contra las “minorías,” y ya se sabe que la mayoría no siempre tiene la razón.

Los especialistas en modelado computacional del cambio climático Jeffrey Pierce y Peter Adams, de la Universidad de Carnegie Mellon, en Pittsburgh, Pennsylvania, han incorporado a un modelo de cambio climático global los procesos físicos (ionización debida a los rayos cósmicos con formación de cobertura nubosa) sugeridos por Svensmark. Han estudiado los efectos en el clima durante un ciclo solar (11 años) y han encontrado que los cambios introducidos en el clima por la actividad solar son 2 órdenes de magnitud más pequeños de los necesarios para formar nubes [frase repetido en honor al énfasis].  Pierce afirma que es posible que en mis modelos falte algo importante, pero no se le ocurre el qué. Ahora el guante está en la mano de Svensmark y sus seguidores que tendrán que encontrar el fallo en los modelos físicos de Pierce y Adams.

Por cierto, ¿eres seguidor de Svensmark? Pues adelante, a estudiarte el artículo técnico J.R. Pierce, P. J. Adams, “Can cosmic rays affect cloud condensation nuclei by altering new particle formation rates?,” Geophys. Res. Lett., In press, Accepted 13 April 2009 . Desgraciadamente no he podido leer el artículo técnico (mi Universidad no tiene subscripción a dicha revista, una pena). Por cierto, en la wiki ya han añadido una referencia a dicho artículo.

¿Qué dicen los especialistas? El método científico requiere la verificación independiente de cualquier resultado experimental, incluso is es obtenido computacionalmente. Habrá que esperar unos meses, quizás años, para tener claro si se verifica o desmiente el resultado. Por lo pronto, algunos especialistas en el modelado computacional del clima están de acuerdo con Pierce y Adams, como Jan Kazil, de la Universidad de Colorado, Boulder, EEUU, quien ha observado algo parecido en sus propios modelos (aún sin publicar). Otros por el contrario están en contra, como Fangqun Yu, de la Universidad de Albany, New York, EEUU, que “observa” problemas en el modelo usado por los científicos de Carnegie Mellon, que tendrá que ser mejorado.

La Ciencia es la Ciencia, y como nos recuerda Kerr en su última frase “Testing the hypothesis will take more modeling and observations.”

El secreto de la materia oscura, ¿será desvelado antes de que empiece a funcionar el LHC?

Todas las evidencias experimentales apuntan a la existencia indiscutible de materia oscura. Sin embargo, nadie sabe qué es. Sus propiedades conocidas son muy vagas para poder discernir entre los muchos posibles candidatos. Muchos creen que su responsable es una partícula elemental. Ninguna de las partículas elementales “conocidas” parece poder explicarla. Se requieren partículas más allá del Modelo Estándar. ¿Es necesario el LHC del CERN para poder encontrarlas? Algunos físicos experimentales piensan que no, como nos cuenta Adrian Cho, “Excess Particles From Space May Hint at Dark Matter,” Science 322: 1173, 21 November 2008 . Estas partículas “desconocidas” se deberían encontrar en los rayos cósmicos y los detectores de rayos cósmicos deberían ser capaces de observarlas. Quizás lo han hecho ya.

El sistema de globos para la medida de los rayos cósmicos llamado ATIC (Advanced Thin Ionization Calorimeter) de la NASA ha encontrado un exceso en el número de electrones de alta energía (entre 300 GeV y 800 GeV, donde 1 GeV es la masa aproximada de un protón) entre los años 2000 y 2002. Esperaban encontrar unos 140 electrones de este tipo, pero han encontrado 210, es decir, 70 más de los esperados. Lo que es mucho. ¿Qué puede haber causado este exceso? Quizás un pulsar más cercano de lo esperado o algún otro objeto astrofísico desconocido. O quizás la materia oscura (la aniquilación de cierto tipo de materia oscura). 

El sistema orbital para la observación de rayos cósmicos PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-Nuclei Astrophysics) encontró en agosto pasado que el cociente entre positones y la suma de electrones y positones es mayor del esperado. Este exceso es compatible con el observado en ATIC. Tampoco hay explicación fácil para este exceso. Una posibilidad sería la aniquilación de materia oscura.

¿Qué tipo de materia oscura puede explicar ambos resultados experimentales? El candidato más estudiado para la materia oscura, las (super)partículas masivas supersimétricas débilmente interactivas (WIMP), como el neutralino, no podrían explicar estos resultados experimentales (se desintegran en pares protón-antiprotón y conducirían a un exceso, no observado, de estos, sin afectar a electrones y positones). Se requiere otro candidato a materia oscura. Si se ha observado la materia oscura, no es la materia oscura “estándar”.

El próximo año la NASA lanzará el telescopio espacial Fermi de rayos gamma (Gamma-Ray Space Telescope). Si ATIC y PAMELA han observado una señal real de la materia oscura, Fermi tendrá que confirmarla (observará fotones producidos por la aniquilación de materia oscura).

Los telescopios de radiación Cherenkov atmosférica HESS y VERITAS también deberían conducir a una señal distintiva de materia oscura (aunque para ello requieren in incremento en su sensibilidad) y podrían diferenciar entre una fuente localizada (púlsar o similar) y una fuente extendida como la materia oscura, como nos lo cuentan Jeter Hall, Dan Hooper, “Distinguishing Between Dark Matter and Pulsar Origins of the ATIC Electron Spectrum With Atmospheric Cherenkov Telescopes,” ArXiv preprint, 21 Nov 2008 .

¿Qué materia oscura no estándar puede ser responsable de los excesos de PAMELA y ATIC? Ahora mismo están apareciendo muchos candidatos. Por ejemplo, en el último mes he encontrado las siguientes propuestas:

- un tipo “especial” de bosón de Higgs propuesto por Chuan-Ren Chen, Fuminobu Takahashi, T. T. Yanagida, “Decaying Hidden Gauge Boson and the PAMELA and ATIC/PPB-BETS Anomalies,” ArXiv preprint, 21 Nov 2008 ;

- una nueva fuerza fundamental acoplada básicamente a los leptones propuesta por Patrick J. Fox, Erich Poppitz, “Leptophilic Dark Matter,” ArXiv preprint, 03 Nov 2008 ;

- una nueva partícula que se acopla a una dimensión espacial extra compactificada propuesta por Yang Bai, Zhenyu Han, “A Unified Dark Matter Model in sUED,” ArXiv preprint, 04 Nov 2008 ;

- un nuevo tipo de fermión de tipo Dirac (como el electrón) propuesto por Roni Harnik, Graham D. Kribs, “An Effective Theory of Dirac Dark Matter,” ArXiv preprint, 31 Oct 2008 ;

- una partícula escalar que se desintegra en otra pseudoescalar de tipo “axion,” propuesto por Yasunori Nomura, Jesse Thaler, “Dark Matter through the Axion Portal,” ArXiv preprint, 7 Nov 2008 ; 

- una partícula “nueva” escalar inestable, propuesta por Ann E. Nelson, Christopher Spitzer, “Slightly Non-Minimal Dark Matter in PAMELA and ATIC,” ArXiv preprint, 31 Oct 2008 ;

- dos partículas escalares, una estable y otra metaestable, propuestas por Malcolm Fairbairn, Jure Zupan, “Two component dark matter,” ArXiv preprint, 3 Nov 2008 ;

- variantes de la supersimetría con un sector oculto denominado simetría G, propuesto por Nima Arkani-Hamed, Neal Weiner, “LHC Signals for a SuperUnified Theory of Dark Matter,” ArXiv preprint, 3 Nov 2008 , ver también Nima Arkani-Hamed, Douglas P. Finkbeiner, Tracy R. Slatyer, Neal Weiner, “A Theory of Dark Matter,” ArXiv preprint, 31 Oct 2008 . 

Mucha actividad teórica. Una materia oscura “no estándar” es una “pepita de oro” que los teóricos tienen que “explotar” dándole al coco. Y le están dando. No sólo el LHC del CERN hace física de partículas elementales. Muchos físicos y muchos experimentos repartidos por todo el mundo están desarrollando física de partículas de alta calidad tanto teórica como experimentalmente. Quizás, la materia oscura ya haya sido descubierta y el LHC del CERN sólo podrá confirmar lo ya observado.

Posible correlación entre rayos cósmicos y cobertura nubosa, ficción o realidad

Nuestro amigo Kondor me/nos recomendó el documental “La Gran Estafa Del Calentamiento Global” de la BBC, que yo no conocía, pero gracias a dicho enlace pude “disfrutar”. El documental nos indica que el problema del cambio climático tiene un origen no antropogénico: no son las emisiones de CO2 las responsables, sino los rayos cósmicos y la dinámica solar que afectan a la inosfera, y a través de la tropopausa, a la generación de nubes en la troposfera. Hemos sido “engañados” por el “establishment”. La radiación interestelar tanto de origen solar como extrasolar son los responsables del calentamiento de la Tierra. Según nuestro amigo Kondor, y quizás con razón, “Aquí hay gato encerrado, y personalmente huele mal.” De hecho en el documental de la BBC aparecen personajes tan importantes como el antiguo director del IPCC, quien, obviamente, es un fisico de importancia notable.

Me ha picado la curiosidad. Y eso me gusta.

Lo primero, no soy experto en cambio climático y temas relacionados (física de la atmósfera, climatología, etc.). Si a veces hablo “como si supiera” os quisiera recordar que el autor principal de este blog es “aprendiz de todo y maestro de nada”. En este blog sólo ofrezco mis “opiniones sesgadas” (recuerda que toda opinión es sesgada). Más aún, “muy sesgadas”. De hecho, no suelo hablar de los temas de investigación a los que me dedico. Estos temas me obsesionan ya lo suficiente como para tratar de evitarlos en este blog. Lo siento. De lo que más podéis aprender de mí, menos os voy a contar (lo cuento en otros foros, revistas internacionales, en inglés y para los “pocos” técnicos a los que les interesa).

Aún así, hablando de la tropopausa, me gustaría confesar, a mi pesar, que estudié algo NWP (predicción numérica del tiempo meteorológico) cuando visité el Department of the Geophysical Sciences de la University of Chicago, junto a los famosos The Hospitals. Como anécdota os contaré que fui el primer ocupante del despacho de Mr. Tornado (Tetsuya “Ted” Fujita), denominado así en un artículo de National Geographic en 1972. Hacía poco más de un año que había fallecido y su despacho estaba repleto de sus papeles personales. Al menos así lo observé mi primer día de trabajo en Chicago, debido a mi “curiosidad” natural (lo confieso soy un poco “cotilla”). Para mi sorpresa, el día siguiente, el despacho estaba limpio. Se habían llevado todo lo que recordara al Dr. Fujita. Me dieron la llave del despacho, del laboratorio, y del edificio. A partir de las 5:00 pm el edificio se quedaba vacío, sin embargo, yo seguía allí. Para mi sorpresa, el vigilante se pasaba por allí cada “par de horas”, yo acostumbraba a tener la puerta abierta. La primera vez me pidió la identificación (una tarjeta electrónica con foto incluida que me hicieron el primer día en menos de media hora). Las siguientes veces, el vigilante ya me conocía y comprobaba “que era yo” sutilmente “tratando de no molestar”. ¡Qué diferencia con la universidad española!

Lo dicho, de cambio climático mi conocimiento es el propio de un aficionado a la divulgación.

Lo siento, retomo el “hilo perdido”.

La posible conexión entre rayos cósmicos y cobertura nubosa fue sugerida por E.R. Ney, “Cosmic radiation and the weather,” Nature 183, pp. 451-452, 14 February 1959 , quien sugirió que la modulación debida al ciclo solar en los rayos cósmicos recibidos en Tierra estaba correlacionada con el tiempo meteorológico, aunque no detallaba la física detrás del efecto, sugería que era debido a la ionización en la ionosfera que se transmitía “de alguna manera” a la troposfera (la parte de la atmósfera en la que vivimos nosotros). Aunque dicha hipótesis nunca ha estado en el mainstream de la climatología, desde entonces se han publicado muchos artículos al respecto, especialmente en la última década (en la que la inversión en cambio climático ha crecido significativamente y, llamadme abogado del diablo, quizás muchos se han ”subido al carro” en aras a recabar fondos de investigación).

¿Qué es lo que se sabe sobre dicha hipótesis actualmente? Obviamente, tiene sus defensores y sus opositores. Para estos últimos es un solamente un “mito”. Mi opinión, obviamente sesgada por lo que he leído al respecto, va en esta línea, salvo que los “hechos” demuestren lo contrario. La ciencia es así. Las opiniones no tienen valor. Por supuesto, aceptaré que “la verdad me de una bofetada” si mi opinión de inexperto es errónea.

Mi selección de lecturas. Me ha gustado el artículo de Brian H. Brown, “Short-term changes in global cloud cover and in cosmic radiation,” Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, Volume 70, Issue 7, Pages 1122-1131, May 2008 (que tiene la ventaja de que su preprint es gratuito aquí). Por cierto, yo he leído el artículo en la revista, supongo que el preprint dirá lo mismo, no me he molestado en comprobarlo).

En el artículo se estudia la posible contribución de los rayos cósmicos galácticos (RCG) en los mecanismos de formación de nubes. Estudian la correlación estadística entre la cobertura nubosa a baja altura y el promedio de rayos cósmicos recibidos durante 22 años en intervalos cada 3 horas (sólo en ciertas regiones de los hemisferios norte y sur de la Tierra). Su resultado es negativo: la influencia de los RCG en la nubosidad es ridícula, sólo puede explicar aproximadamente el 3% de las variaciones de la misma.

Los europeos H. Svensmark and E. Friis-Christensen, “Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage-a missing link in solar-climate relationships,” Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 59, pp. 1225-1232, 1997 , usando datos satelitales del ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project) durante 1983-1990 y otros datos durante el periodo 1980-1995, que compararon con datos del flujo de rayos cósmicos en dichos años, concluyeron que hay una clara correlación positiva entre la cobertura nubosa baja (por debajo de 3 km) sobre los océanos y los cambios en lso RCG. Su artículo fue muy criticado (por ejemplo, por que sólo presentaba datos sobre los océanos y no sobre tierra firme) o porque correlacionar dos series temporales no implica relación causa-efecto alguna). Por supuesto, los autores se defendieron: han propuesto una hipótesis y mientras no se demuestre lo contrario…

Los europeos extendieron su estudio hasta el año 2001 en N.D. Marsh and H. Svensmark, “Galactic cosmic ray and El Niño-Southern Oscillation trends in ISCCP-D2 low cloud properties,” Journal of Geophysical Research 108, p. 4195, 2006 . Encontraron cierta divergencia en la correlación entre RCG y cobertura nubosa, pero la atribuyeron a problemas de calibración del satélite durante los años 1994-95. Su conclusión, globalmente no hay correlación, pero la correlación local (regional) a corto plazo es “obvia”. Por supuesto, dicho artículo fue también muy criticado. Por destacar un artículo, mencionemos I.G. Usoskin et al., “Correlations between clouds at different altitudes and solar activity: fact or artifact?,” Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 68, pp. 2164-2172  ( 2006 ), que muestra la aparición de correlaciones espurias entre los datos de RCG y la cobertura nubosa que varían geográficamente. Estas correlaciones dificultan terriblemente la interpretación de cualquier correlación observada previamente.

Es por todo ello que la mayoría de los investigadores, como Brian H. Brown, “Short-term changes in global cloud cover and in cosmic radiation,” Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, Volume 70, Issue 7, Pages 1122-1131, May 2008 , tratan de buscar correlaciones locales (regionales) entre los RCG y la cobertura nubosa troposférica. Sus resultados muestran que hay una correlación positiva “pequeña” del orden del 4% en las variaciones de la nubosidad troposférica a corto plazo y del 3% en las variaciones de la nubosidad total como resultado de efectos extraterrestres (rayos cósmicos). Un análisis de correlación cruzada entre los cambios del RCG a corto plazo y los cambios en cobertura nubosa muestra una correlación positiva (p<0.05) con un retraso de unos 2 días, pero que sólo explica un 3% de dichos cambios.

Por supuesto, la interpretación de estas correlaciones no es nada fácil (como ocurre con cualquier correlación entre series temporales, ya que no es fácil deducir relaciones de causalidad entre ellas). Además, el filtrado de los datos, muy importante cuando las series temporales son “muy ruidosas” tiene una gran influencia en los resultados. El hecho de que la correlación encontrada es significativa sólo para cambios a corto plazo (entre 6 horas y 3 meses) entre la nubosidad y los RCG (pero no parece que la haya a largo plazo) nos indica que su efecto, existir existe, pero que su influencia climática, de existir, no es uno de los factores determinantes responsables de las variaciones de la cobertura nubosa (como mucho permiten explicar un 5% de dicha variación con un intervalo estadístico de confianza de p=0.06).

En resumen, en mi opinión, la opinión estándar de que el efecto de los rayos cósmicos en el cambio climático es de segundo orden (no es determinante) está bien fundamentada. Pero sólo el tiempo dirá si un inexperto como yo “acierta por casualidad” o “falla estrepitósamente”.