La materia oscura galáctica no puede explicar las observaciones de PAMELA, ATIC, Fermi y HESS

El espectro de energía de los positrones observados en los rayos cósmicos por experimentos como PAMELA, ATIC, Fermi y HESS en el rango de energías 10 GeV a unos pocos TeV excede todo origen astrofísico plausible, por lo que se proclama que su origen es la desintegración de la materia oscura de nuestra galaxia. Sin embargo, hay un problema. Si la materia oscura son partículas tipo WIMP o similares (X en la figura), reliquias del origen del universo, deben estar en equilibrio térmico rodeando de forma esférica nuestra galaxia. En dicho caso, la tasa de aniquilación que resulta es entre 2 y 3 órdenes de magnitud más pequeña de la necesaria para explicar los resultados experimentales. La única solución es asumir que las partículas de materia oscura interactúan con una nueva fuerza desconocida lo que provocaría un incremento en su tasa de aniquilación mediante el mecanismo de Sommerfeld. ¿Explica este mecanismo los resultados experimentales? Un nuevo artículo de Jonathan L. Feng, Manoj Kaplinghat, y Hai-Bo Yu, todos de la Universidad de California en Irvine, muestran que el mecanismo de Sommerfeld por sí solo no puede hacerlo. Un duro varapalo a la interpretación de estas observaciones experimentales como originadas por la materia oscura. El nuevo cálculo está basado en las hipótesis más sencillas posibles, por lo que los autores opinan que es pesimista (en sus palabras, conservativo), en el sentido de que mejoras en dicho cálculo lo único que harán es empeorar sus resultados alejándolos de las observaciones experimentales. ¿Alguna solución? Según los autores las únicas soluciones son que la materia oscura aparte de partículas sea otra cosa que desconocemos, o que los modelos cosmológicos del origen del universo que predicen la cantidad de materia oscura son incorrectos, o que el halo de materia oscura de nuestra galaxia tiene una forma especial en nuestro entorno que hace que recibamos más positrones de los que en promedio recibe cualquier otra región de nuestra galaxia. Un gran problema para los modelos que tratan de explicar la materia oscura como partículas elementales que el LHC del CERN será capaz de observar. La materia oscura nos enseña cada día más lo poco que sabemos sobre ella. Un interesante artículo técnico, para físicos y astrofísicos, Jonathan L. Feng, Manoj Kaplinghat, Hai-Bo Yu, “Halo-Shape and Relic-Density Exclusions of Sommerfeld-Enhanced Dark Matter Explanations of Cosmic Ray Excesses,” Phys. Rev. Lett. 104: 151301, 15 April 2010 [gratis en ArXiv]. Recomiendo sobre este artículo la sinopsis de Stanley Brown, “Trouble for dark matter explanations of excess cosmic positrons,” Physics, April 16th, 2010.

Físicos españoles utilizan la teoría de cuerdas para calcular la radiación de Cherenkov mesónica en un plasma de quarks y gluones

Una partícula con carga eléctrica que atraviesa un medio a una velocidad superior a la velocidad de la luz en dicho medio produce radiación de Cherenkov (Čerenkov) gracias a que aparece una onda de choque que emite fotones polarizados. Un quark que atraviesa un plasma de quarks y gluones también puede emitir radiación de Cherenkov pero formada por gluones en lugar de fotones. Físicos españoles han demostrado que dicho quark también puede emitir mesones (pares quark-antiquark sin carga de color total) cuando este plasma se comporta como un líquido, en el régimen de acoplamiento fuerte. Lo sorprendente de su trabajo es que han calculado esta radiación utilizando un modelo de teoría de cuerdas, con agujeros negros y cuerdas entre D-branas. Los quarks y gluones tienen sólo 3 colores, pero los físicos españoles han aprovechado que una teoría de quarks con infinitos colores se puede estudiar utilizando la teoría de cuerdas. Como los mesones emitidos no tienen color (son neutros porque el color del quark se compensa con el anticolor del antiquark), se pueden estudiar en el marco de una teoría con infinitos colores Nc→∞, como si su color “efectivo” fuera 1/Nc→0. La energía que emite (pierde) el quark mientras atraviesa el plasma a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en dicho plasma se modela como la energía depositada en la D-brana por una cuerda cuyos dos extremos acaban en dicha D-brana. Esta energía permanece en la D-brana y gracias a una analogía con una agujero negro se puede calcular su valor. En un modelo dual gauge-gravedad, esta energía es exactamente igual a la radiación Cherenkov mesónica que emitiría el quark. La ventaja de la teoría de cuerdas es que el régimen de acoplamiento fuerte entre quarks se transforma a una régimen de acoplamiento débil en las D-branas, lo que posibilita el cálculo exacto de la energía emitida. Un interesantísimo trabajo que los físicos podrán disfrutar en Jorge Casalderrey-Solana, Daniel Fernández, David Mateos, “New Mechanism for Quark Energy Loss,” Physical Review Letters 104: 172301, 30 April 2010 (versión gratis en ArXiv).

PS (4 mayo 2010): Como no podía ser menos, se han hecho eco de este artículo de físicos españoles en Physics, en concreto Abhishek Agarwal, “A flash in the quark gluon plasma,” Synopses, May 3, 2010.