AMS-02 observa un exceso de positrones cuyo origen podría ser la materia oscura

Dibujo20130404 ams-02 - iss - over earth

Hoy, a las 17:00, Samuel Ting (Premio Nobel de Física en 1976), portavoz del equipo internacional de AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) ha anunciado que se ha observado un exceso en el flujo de positrones con energías entre 20 y 250 GeV. La explicación más obvia es que su origen es la aniquilación de materia oscura galáctica, aunque no se pueden descartar otras fuentes no identificadas. El nuevo resultado se publicará en la revista Physical Review Letters y se ha obtenido tras recopilar 25 mil millones de eventos durante un año y medio, de los que unos 400 mil son positrones con energías entre 0,5 y 350 GeV. No se observado ninguna oscilación del flujo de positrones con la época del año (la famosa oscilación DAMA/Libra). Nos lo adelanta iwishart, “CERN to make Dark Matter announcement,” InvestigateDaily, Apr 4, 2013 [NASA video press conference; CERN seminar Webcast].

PS: El artículo técnico ya ha aparecido en la web de PRL: AMS Collaboration (M. Aguilar et al.), “First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–350 GeV,” Phys. Rev. Lett. 110: 141102, Apr 3, 2013 [PDF gratis]. También ha aparecido un interesante artículo Stephane Coutu, “Viewpoint: Positrons Galore,” Physics 6: 40, Apr 3, 2013, cuya lectura recomiendo encarecidamente.

Dibujo20130404 positron excess observed by AMS-02 in ISS

Los rayos cósmicos son partículas cargadas de alta energía que inciden sobre la Tierra. El experimento AMS-02, instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS), se dedica a observar los rayos cósmicos antes de que incidan sobre la atmósfera terrestre. Otros experimentos anteriores (como PAMELA y Fermi) habían observado un exceso en el flujo de positrones, pero no en el de antiprotones (algo que predicen algunas explicaciones supersimétricas para la materia oscura).

Dibujo20130404 another positron excess comparison PAMELA and FERMI

Dibujo20130404 positron excess comparison PAMELA and FERMI

Sin embargo, los datos que se publican hoy sobre AMS-02 no permiten descartar hipótesis alternativas, como que los positrones se originan en púlsares distribuidos por el entorno galáctico. Los modelos supersimétricos predicen un señal a alta energía (un corte en el flujo de positrones) que no ha sido observado todavía. En los próximos años, cuando se acumulen más datos de positrones de alta energía (por encima de 250 GeV), se clarificará la situación y se podrá reafirmar la hipótesis de la materia oscura como origen del exceso, o por el contrario la necesidad de recurrir a otras fuentes menos “exóticas.”

La materia oscura, uno de los grandes misterios de la física, siempre parece escapar de entre las manos de los físicos. Las señales nunca son del todo claras y siempre existe la posibilidad de recurrir a una explicación alternativa.

Dibujo20130404 ams-02 data for positrons and fit - as presented in the first publication

¿Qué señal se esperaría si el origen del exceso fuera la materia oscura? La curva que ajusta los datos que se muestra en esta figura debería caer para cierta energía (de corte), como muestra el siguiente ajuste para los datos de PAMELA (Ilias Cholis et al., “The PAMELA Positron Excess from Annihilations into a Light Boson,” JCAP 0912: 007, 2009arXiv:0810.5344).

Dibujo20130404 dark matter model for pamela data

La energía de corte depende de la masa de la partícula de materia oscura. Los datos de AMS-02 para alta energía (hasta 1 TeV) no han sido publicados porque según Ting la estadística es pobre (han observado pocos eventos). AMS-02 pretende tomar datos de los rayos cósmicos durante mucho tiempo (más de una década), con lo que conforme pasen lo años la estadística crecerá y se publicarán dichos datos. Hay que tener paciencia. En la presentación de hoy, mucha gente ha tenido la sensación de que Ting está convencido de que AMS-02 ha observado la materia oscura (quizás ya tenga alguna señal de la energía de corte); sin embargo, debemos ser cautos y no sacar conclusiones anticipadas. A día de hoy, el exceso observado por AMS-02 es sugerente, pero nada más.

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11 pensamientos en “AMS-02 observa un exceso de positrones cuyo origen podría ser la materia oscura

  1. Los próximos años van a ser moviditos con esto, pero como le ocurrió al Higgs (se iba quedando sin “espacio”), la materia oscura pronto se verá entre la espada y la pared. Curiosamente, le preguntaron al speaker por el asunto de por qué no hacían un “bin” de los datos más exhaustivo debido a la precisión (y error sistemático) que asumían tenían…Y no fue muy prolijo. Y se ha dejado esa región interesante por encima de unos cientos de GeV sin analizar…O hay cut-off, y se confirma el escenario de la aniquilación de materia oscura, o habrá que buscar otra cosa. El exceso de positrones me parece curioso, yo hubiera esperado ingenuamente un exceso de electrones a alta energía y no de positrones, por aquello de que el Universo observable está hecho principalmente de materia y no hay (aparentemente) antimateria en grandes cantidades en nuestro entorno cercano… Pero sí, tras lo de MORIOND, ahora tenemos esto. Y falta por meter a la gravedad en el ajo (con las ondas gravitacionales) para tener un escenario interesante…Si es que se detectan o encontramos algún efecto gravitacional extraño…

  2. Creo que aquí quieres decir otra cosa (¿PAMELA?), no DAMA/LIBRA:

    “Otros experimentos anteriores (como DAMA/Libra) habían observado un exceso en el flujo de positrones,”

    Y no perdamos de vista lo que nos cuenten los neutrinos (ANTARES, IceCube) mirando al Centro Galáctico.

    Un saludo,

  3. El ajuste de los datos es, sobre que modelo? Podrían pasar algún link que expliquen de donde surgen esas curvas?

    • Thepulp, puedes consultar la fig. 6 del artículo técnico en PRL (se utiliza un modelo “trivial” con componente difusa más una ley de potencias). Las curvas con corte en energía son del artículo mencionado en el texto.

  4. La cosa se pone muy emocionante, uno o varios de los más grandes misterios de la física moderna está a punto de resolverse. Por cierto, ¿Cuanto habría que pagar a Samuel Ting para llevarle al programa del polígrafo? Sería muy interesante saber que responde a la pregunta de ¿Ha visto AMS-02 un “punto de corte” a cierta energía con una clara caída de la fracción de positrones? (aunque seguro que la audiencia del programa tendría tambíen un punto de corte con una gran caida de espectadores, la gente prefiere preguntas del tipo ¿Es verdad que falete se ha sometido a varias operaciones de cambio de “tiburon”? :D)
    Más en serio parece que podemos estar viviendo momentos históricos: el año pasado el LHC encontró el Higgs, este año Planck nos confirmó (bueno casi casi) la existencia de la inflación cósmica y ahora AMS02 nos presenta un claro indicio de la aniquilación de materia oscura en nuestra galaxia. Como siempre hay que esperar ya que no hay nada definitivo, los entusiastas como Lubos ven una clara señal de MO (aunque sus conclusiones están basadas en aspectos más psicológicos que físicos) lo que parece claro es que la partícula que forma casi toda la materia de nuestro Universo cada vez tiene menos sitio donde esconderse (como le pasó al Higgs aunque al final estuviese en el escondrijo más complicado de encontrar). Además hay buenas probabilidades de que el hallazgo de la MO venga de la mano del descubrimiento de SUSY…

    • Respecto a SUSY, soy mucho más escéptico que con respecto a materia oscura, por una razón: existen modelos de materia oscura que no son SUSY particles! Si Dark Matter es SUSY, debe ser una SUSY “muy especial”. De otra forma, ya se habría encontrado y habría producido, por ponerte un ejemplo, FCNC (corrientes neutras que cambian el sabor) de una forma mucho más “grande” que la que si existe produce. Lo que está quedando claro de LHC es que si crees en SUSY, esta se oculta en la región multi-TeV (quizás inaccesible directamente por LHC y VLHC) porque si no es imposible explicar todos los datos, en especial también los de tipo momento dipolar eléctrico y algunos otros. De todas formas, yo hasta que no me muestren “la resonancia” correspondiente a la producción de una partícula de materia oscura “estable”, no me lo creeré. Lo del cut-off es realmente imperioso…Y Ting se mostró especialmente evasivo a dar detalles sobre algunas preguntas como lo del binning y lo del cut-off…Elucubrar si es porque ven algo pero aún no tienen estadística para “airearlo” o simplemente es que hay algo que no comprenden de los datos es algo subjetivo y a gusto del consumidor. Insisto: hasta que no nos muestren un cut-off en ese espectro,…Nada que decir. Por cierto, ¿por qué baja el flujo de positrones de 0.5 GeV hasta 10GeV? ;) ¿Por qué sube luego y va disminuyen la pendiente de crecimiento hasta los 350GeV? Y algo más, …Si Dark Matter es pesada y la partícula más ligera estable es X, ¿no deberíamos ser capaces de buscar procesos de producción de Higgs como resonancia en aniquilación de materia oscura XX->H en el espacio?

  5. Y tengo una cuestión más, que es divertida para responder…Si AMS02 y Ting se han guardado porque aún no están “seguros” de que el cut-off es real y no vuelve a aumentar en la región multi-TeV, mi pregunta es…¿No debería LHC ser capaz de producir esas partículas? A no ser que el cut-off sea mayor de unas decenas de TeV (¿Hasta qué rango de energías puede mirar AMS?No estoy seguro de sus límites en ese punto…¿Hasta qué energía puede explorar?). Yo me pregunto a qué energía Ting et al. piensan que han visto el corte…¿Se lo habrán comentado a la gente que trabaja en el LHC? Si el corte es relativamente bajo, hay esperanzas de que LHC produzca esas partículas, …Caso contrario, un upgrade de LHC debería pesar subir algo la energía, aunque parece que lo más barato ahora es LEP3 o algún tipo de Higgs-factory para estudiar sus propiedades…

    Sería divertido que LHC fallara en encontrar materia oscura pero la encontráramos “en la frontera final”…The outer space…Bueno, en una órbita baja, no es tanto el espacio, pero creo que me explico…

    • Por lo que comenta Lubos (http://motls.blogspot.com.es/2013/04/ams-steep-drop-is-there.html) parece ser que lo más probable es que la energía de corte esté entorno a 350GeV (justo el límite superior de la gráfica que ha sido presentada por Ting) puesto que ha analizado las diapositivas de la presentación de AMS02 y parece que la fracción e-/e+ presenta un máximo entorno a 0,15 para ese valor. Lubos dice que la diapositiva 85 muestra un evento de [982GeV (e-)/636GeV (e+)], según él este evento demostraría que claramente el exceso de positrones cae a partir de 350GeV. El problema es que a partir de 350GeV el número de eventos es muy pequeño ya que los rayos cósmicos de altas energias son más raros y la estadística es muy pobre, por eso el equipo de Ting “ha cortado” el gráfico ahi. La pregunta es ¿Tiene el equipo de Ting más eventos con energías superiores a 350GeV que no ha mostrado y que permiten mejorar la estadistica que indica un corte a esa energía? Seguro que si pero probablemente la confianza estadística es baja. La otra pregunta que tu formulas es también clave: ¿Por que el LHC no ha visto esa supuesta nueva partícula? Desconozco los límites de exclusión concretos del LHC para este caso pero he encontrado gráficas que muestran que el LHC no ha encontrado eventos de dileptones que difieran de lo esperado por el SM hasta 650GeV, entonces, ¿como encaja esto con los resultados de AMS02? porque claramente la partícula que forma la DM no puede ser una conocida del SM. Quizás la explicación este en el “trigger” que no está configurado para esta búsqueda concreta.

      • Soy escéptico con respecto a lo que comenta Lubos…El LHC debió producir las partículas de materia oscura…Aunque cierto es que: 1) LHC es un colisionador protón-protón bastante sucio. 2) El software y los triggers(como comentas) estaban más orientados a búsqueda de Higgses, lo que me hace pensar si esa nueva partícula podría ser más un fermión que un bosón o ser algo inesperado (lo que sería “bueno”)… 3) Si lo han visto pero el único problema es la estadística, es sólo cuestión de acumular datos con la precisión que tienen. Y si realmente “creen” que ven algo, seguro que algo les habrán dicho a los del CERN/LHC…No es lo mismo buscar una aguja en un pajar (el rango de energías) que alguien te diga…”Oye, que yo estuve por la zona X más que por todas partes, mirad por esa zona con todos los recursos a ver si véis algo”. Personalmente, yo hasta que no lo vea, no lo creeré…Como con el HIggs-…

      • Planck, obviamente, AMS-02 ha recogido muchos positrones por encima de 350 GeV. Mira esta tabla…

        Entre 350 GeV y 1 TeV se han tenido que recoger unos cientos de positrones si no hay corte y sólo una decenas si hay corte. El problema es la fracción, que puede tener un error muy grande…

        Aún así, en mi opinión, la ciencia de calidad requiere que dichos datos deberían haber sido publicados. Omitirlos es una clara señal de “mala ciencia” y va en contra de la ética científica más elemental. Omitir datos recabados en un experimento de forma intencionada es “mala ciencia” aunque lo haga un Premio Nobel. La verdad es que es una pena que estas cosas pasen… pero la “política científica” moderna de la NASA es así. Publicar cosas que sean noticia, pese lo que pese y metiendo el método científico en el retrete… una pena.

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