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.

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

  1. El misterio de la modulación anual observada por DAMA es algo altamente debatido por los expertos. ES quizás una de las grandes “pruebas” a favor de quienes apuestan por la existencia de Dark Matter. Sin embargo, con todavía mi Máster reciente, recuerdo la discusión entre profesores y estudiantes. La única forma de zanjar el asunto y la polémica/especulación respecto a DAMA sería realizar un experimento nuevo “calcado” en set-up y condiciones a DAMA. Si la modulación se observase, sería una evidencia muy fuerte a favor de Dark Matter. Los experimentos alternativos a DAMA que mencionas no hacen sino agrandar la polémica. Puedo decir que incluso ha habido expertos españoles que han tenido un toma y daca muy serio respecto a la interpretación de la modulación de DAMA y CoGENT. De hecho, ha habido mucha discusión sobre los resultados de éste último también y su interpretación. No es nada fácil resolver esto sin un nuevo experimento “a la DAMA”.

    • Amarashiki, como bien dices, “la única forma de zanjar el asunto sería realizar un experimento nuevo “calcado” en set-up y condiciones a DAMA.” Ya ha sido diseñado uno similar (misma masa y mismo material) pero que se instalará en el Polo Sur; ahora está en fase de pruebas un versión reducida (se espera que este verano publique sus primeros resultados); la versión final para dentro de un par de años.

      • No sabía que habían puesto un prototipo de detector de DM a la DAMA en IceCube Francis. ¡Es una gran idea! Espero que ayude a resolver el misterio oscuro. Estaré más atento si cabe ahora a los resultados de IceCube stuff…Otra razón más para leerte…Jejeje…Pequeños detalles que se me escapan. Gracias por compartir. :D.

  2. Pregunta, al final de tu nota afirmas que se tiene certeza de que existe la materia obscura. Aparte del efecto gravitatorio que se le da a priori a la materia obscura que otra evidencia se tiene? Pregunto ya que no soy fisico y no se si ha habido avances experimentales diferentes a los efecto gravitatorios. Las oscilaciones medidas prometen lo que no me gustan son las explicaciones adhoc de las diferencias con los otros experimentos,

  3. Supongo que esa hipotetica modulacion anual podría ser por 3 motivos:
    -La que se dice de la diferente velocidad de la Tierra respecto a la galaxia.
    -La diferencia de irradiacion solar junio/diciembre. (esta se podría comprobar con una replica en el hemisferio Sur)
    -La diferencia de distancia al Sol junio/diciembre.

    Por lo pronto el hecho de que la asimetrías sean precisamente junio/diciembre parece una pista de que puede ser alguna de las otras (si fuese la velocidad respecto a la galaxia tambien podría ser cualquier otro par de meses opuestos)

    • Bueno, cualquier otro par de meses opuestos quizas no (ahora he visto el grafico ese), pero sigue siendo bastante curioso que coincida con los meses de verano/invierno terrestres.

    • Sí, eso es lo primero que uno piensa. Pero realmente el máximo/mínimo no coincide con el máximo de temperatura, etc. Aunque parece que está cerca, el error en la estimación de la posición del máximo/mínimo es bastante más pequeño que la diferencia respecto a los picos de temperatura y cosas así.

  4. Otro intento de replicar el experimento de DAMA lo tenemos más cerca. Es ANAIS, en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. Y por cierto, creo que es oportuno comentar que la colaboración DAMA (o quizá más bien su investigadora principal) siempre ha sido bastante renuente a facilitar que se replique su experimento. Creo que tienen un contrato de exclusividad firmado con la empresa que les proporciona los cristales y nunca han estado dispuestos a cooperar. Este tipo de cosas, junto con el hecho de que CDMS y XENON no hayan visto nada (no sólo no han visto modulación, sino que tampoco unos cuantos sucesos por encima del fondo), hacen que la gente no se crea de momento el resultado. Hay un efecto, desde luego, pero no está claro que sea materia oscura.

    • Lo de los cristales es algo que es debatido por la gente “fuera” de la colaboración. La exclusividad del contrato hizo a alguno especular sobre “aplicaciones high-tech” en la industria privada e incluso bélica de dichos cristales. No obstante, yo tampoco puedo saber hasta qué punto es cierto lo que me comentan profesores que también están fuera de la colaboración (pese a que dicen haber hablado con gente de DAMA).
      La modulación anual es “prueba” de DARK MATTER para la gente que piensa que es la única salida a la curva de rotación galáctica universal que se observa, pero a mí no me gusta especular con sólo una hipótesis cuando no está “falsada” por otro experimento (i.e. replicada).
      Personalmente, pienso que la materia oscura es un montón de “chatarra” hasta que se nos ocurra algo mejor, pero puedo equivocarme. Yo pongo un plazo de 4-5 años para detectar evidencias de DM. Si no se encuentran “partículas” o “evidencias” sólidas de su existencia, tendremos que pensar seriamente en que hemos estado hablando de algo que posiblemente no existe y es la gravedad la clave del asunto.
      Lástima que no me pueda apostar helados de materia oscura…

  5. Entonces lo que se dice en la otra entrada es falso:
    https://francisthemulenews.wordpress.com/2012/04/20/sobre-la-noticia-que-afirma-que-no-hay-materia-oscura-en-el-entorno-del-sol/
    “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.”

    Por cierto que en este experimento el “WIMP Wind” recuerda mucho al “viento del éter” del experimento Michelson-Morley, aunque en este caso los resultados sí cuadran con lo esperado.

    • Daniel, todavía no se ha detectado la materia oscura ya que hasta que no se confirme de forma definitiva la interpretación de los resultados del experimento DAMA/LIBRA como resultado de la materia oscura es solo una interpretación. Otros experimentos (CDMS II, XENON100) descartan esta interpretación. Por ahora, oficialmente, “todos los intentos… han sido un fracaso.”

  6. ¿Que son las barras de error horizontales? (parecen de varias semanas) ¿No se registran inmediatamente los sucesos o es otra cosa? (supongo que es otra cosa)
    Ojeé el articulo de arxiv pero no ví donde tratan eso.

  7. “lo que justificaría que los experimentos con xenón, como CDMS II, no observen la modulación.”
    CDMS II utiliza Germanio y Silicio, aunque éste último está descartado para SuperCDMS, pero no xenón…

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