La partícula responsable de la materia oscura podría haber sido descubierta ya

Dan Hooper, físico teórico del Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory) cerca de Chicago, EE.UU., y varios colegas, afirma que las partículas responsables de la materia oscura del universo tienen una masa menor de lo esperado (unos 7 GeV/c²) y han sido observadas en tres experimentos: DAMA, CoGeNT y el telescopio espacial Fermi. Otros experimentos, como XENON100 y CDMS II descartan estas partículas, aunque Hooper opina que no de forma tajante. Los grandes aceleradores de partículas como el Tevatrón del Fermilab y el LHC del CERN tampoco las han observado, pero Hooper cree que el LHC lo hará pronto. Sus análisis indican que los resultados de todos estos experimentos son compatibles entre sí, pero otros físicos no lo ven tan claro. El 23% del universo (o el 80% de la materia del universo) se nos escapa entre los dedos, aunque por poco tiempo. Si Hooper no se equivoca, este asunto estará resuelto pronto y sus detractores tendrán que darle la razón. Nos lo cuenta Adrian Cho, “Have Physicists Already Glimpsed Particles of Dark Matter?,” News Focus, Science 331: 1132-1133, 4 March 2011. En este blog ya nos hicimos eco del trabajo de Hooper en “Partículas WIMP de materia oscura ocho veces más pesadas que el protón observadas en el centro de la Vía Láctea,” 24 octubre 2010, y en “El secreto de la materia oscura, ¿será desvelado antes de que empiece a funcionar el LHC?,” 22 noviembre 2008.

Hay tres maneras de buscar la materia oscura. Las búsquedas directas tratan de observar la colisión de una partícula de materia oscura del “halo” que rodea nuestra galaxia contra el núcleo de un átomo, provocando su retroceso y la emisión de un pequeño pulso eléctrico, de luz o de calor (estos experimentos se realizan en instalaciones subterráneas para evitar el ruido de los rayos cósmicos, como DAMA (Dark Matter) en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, Italia). Las búsquedas indirectas tratan de observar la colisión de dos partículas de materia oscura entre sí, cuyo resultado son rayos gamma u otras partículas conocidas, tanto en telescopios espaciales (como el telescopio espacial de rayos gamma Fermi), como en “telescopios” terrestres (como el sistema estereoscópico de alta energía instalado en tierra, HESS, en Namibia). Finalmente, las búsquedas basadas en los aceleradores de partículas tratan de producir nuevas partículas que puedan ser candidatos a materia oscura (como partículas supersimétricas masivas que interactúan débilmente, como las WIMPs). Los grandes avances experimentales de los últimos años en estos tres métodos de búsqueda darán sus frutos en la próxima década, casi con toda seguridad (Adrian Cho se hace eco de la opinión al respecto de la mayoría de los físicos). Pero Dan Hooper opina que ya han dado sus primeros frutos.

En octubre de 2010, Dan Hooper y sus colegas publicaron un artículo [1] en el que afirman que los datos más recientes sobre la materia oscura confirman el resultado observado en el año 2000 por el experimento italiano DAMA. Los pequeños destellos de luz emitidos por 100 kg. de cristales de yoduro de sodio durante un año mostraban un máximo en junio y un mínimo en diciembre, lo esperado si son el resultado de la colisión de partículas de materia oscura del “halo” galáctico. El Sol se mueve a 230 km/s respecto al centro galáctico y la Tierra a 30 km/s alrededor del Sol; en junio DAMA (y la Tierra) se mueve a 260 km/s respecto al “halo” galáctico y en diciembre a 200 km/s, lo que implica una reducción anual del número de observaciones en el experimento DAMA.

Tras 13 años de investigación el resultado ha sido confirmado año tras año, tanto en DAMA como en LIBRA, otro detector de Gran Sasso. Nadie pone en duda que el efecto exista. Según los físicos de DAMA/LIBRA no hay ningún efecto astrofísico que pueda explicar estos resultados, salvo la materia oscura. Pero como otros experimentos no han confirmado la observación, muchos físicos creen que la explicación podría ser otra, aunque no saben cuál (hay varias propuestas pero ninguna está considerada como definitiva).

En febrero de 2010, el detector CoGeNT (Coherent Germanium Neutrino Technology) en la mina subterránea de Soudan, en el norte de Minnesota, EE.UU., un cilindro de germanio de 440 gramos que produce señales eléctricas cuando una partícula colisiona con él, mostró un exceso en el número de eventos observados a baja energía [2]. A priori, el resultado no es compatible con el obtenido por DAMA/LIBRA, sin embargo, Hooper y sus colegas [1] afirman que cierta incertidumbre en el análisis de los datos de DAMA/LIBRA es mayor de lo publicado y que un reanálisis de los datos los hace compatibles con el resultado de CoGeNT.

Más aún, en otro artículo publicado en octubre de 2010, Hooper y Lisa Goodenough, de la Universidad de New York, analizaron los datos del satélite espacial Fermi [3]. Extrapolando los resultados del espectro de rayos gamma de alta energía obtenido por HESS han estimado el espectro de rayos cósmicos a baja energía emitido por el centro galáctico. El flujo medido por Fermi presenta un exceso respecto a esta estimación para energías entre 1 y 4 GeV que Hooper y su colega asocian a la aniquilación de partículas de materia con una masa de entre 7 y 10 GeV/c². El artículo no ha convencido a la mayoría de los expertos, pero Hooper ha publicado otros artículos refinando su análisis para tratar de covencerlos [4].

Los tres experimentos, DAMA, CoGeNT y Fermi LAT apuntan a una partícula de materia oscura de unos 7-9 GeV/c², unas 8-10 veces la masa del protón. La mayoría de los físicos esperaban que las partículas WIMP deben pesar 10 veces más, una masa similar a la de los bosones vectoriales débiles W y Z (cuya masa es 80 y 91 GeV/c²), ya que las WIMP interatúan gracias a la fuerza nuclear débil. Hooper y sus colegas en sus artículos [1] y [5] afirman que una partícula con 7 GeV/c² es compatible con todos los resultados experimentales actuales del modelo estándar y además es compatible con las predicciones de ciertas teorías supersimétricas.

En septiembre de 2010, los resultados del detector XENON100 en Gran Sasso, que contiene 170 kg de xenón, descartaban una partícula como ésta, pero un análisis posterior, publicado el 31 de enero, indica que el análisis previo podría haber incluido ciertas extrapolaciones que falsean la interpretación.

Para Hooper, la prueba definitiva de su teoría vendrá con la observación por parte de CoGeNT de una variación anual compatible con los resultados de DAMA. Pero el LHC (Large Hadron Collider) en el Laboratorio Europeo de Partículas (CERN), cerca de Ginebra, Suiza, también deberá confirmar estas partículas para estar completamente seguros y poderse proclamar que el descubrimiento es definitivo. Incluso si Hooper acaba estando equivocado, confiesa que está disfrutando en la cresta de la ola de la investigación teórica sobre la búsqueda de la partícula elemental responsable de la materia oscura del universo.

[1] Matthew R. Buckley, Dan Hooper, Tim M.P. Tait, “Particle Physics Implications for CoGeNT, DAMA, and Fermi,” ArXiv, 5 Nov 2010.

[2] The CoGeNT collaboration, “Results from a Search for Light-Mass Dark Matter with a P-type Point Contact Germanium Detector,” ArXiv, 25 Feb 2010.

[3] Dan Hooper, Lisa Goodenough, “Dark Matter Annihilation in The Galactic Center As Seen by the Fermi Gamma Ray Space Telescope,” ArXiv, 13 Oct 2010.

[4] Dan Hooper, Tim Linden, “Gamma Rays From The Galactic Center and the WMAP Haze,” ArXiv, 19 Nov 2010.

[5] Alexander V. Belikov, John F. Gunion, Dan Hooper, Tim M. P. Tait, “CoGeNT, DAMA, and Light Neutralino Dark Matter,” ArXiv, 2 Sep 2010.

[6] Chris Kelso, Dan Hooper, “Prospects For Identifying Dark Matter With CoGeNT,” ArXiv, 13 Nov 2010.