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

dibujo20081122pebsTodas 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.