El exceso de positrones de AMS-02 como señal de la materia oscura

Dibujo20130405 Comparison of the positron fraction measured by AMS-02 to two particular dark matter scenarios

Interpretar el exceso de positrones observado por AMS-02 (además de por PAMELA y Fermi) como una señal de la aniquilación de una partícula (χ) de materia oscura requiere utilizar ajustar un modelo de la desintegración (como χχ→μμ, o χχ→WW) y una composición “razonable” para la materia oscura galáctica. El número de parámetros libres es grande y se pueden realizar muchos ajustes fácilmente. Mientras no se observe una señal de corte clara en los datos de AMS-02, decidir entre diferentes modelos es imposible. Esta figura muestra un ajuste a la desintegración  χχ→μμ de una partícula de masa m(χ)=670 GeV, más allá de lo observable en el LHC (por el momento). Los detalles los podéis disfrutar en Joachim Kopp (MPIK Heidelberg), “Constraints on dark matter annihilation from AMS-02 results,” arXiv:1304.1184, 3 Apr 2012.

Dibujo20130405 best fit positron ratio data background plus pulsar plus dark matter

Como la colaboración AMS-02 ha omitido airear sus datos sobre el exceso de positrones por encima de 260 GeV no es posible saber cuál es el modelo más adecuado para dicha señal. Más aún, incluso si se hubieran publicado dichos datos, descartar la hipótesis de que el origen del exceso son púlsares (que implican que el exceso se “aplana” y cae “suavemente”) es imposible. Pero aún hay más, su origen podría ser una combinación de materia oscura (por ejemplo, una esfera isoterma de partículas χ con una masa de unos 100 GeV que se desintegran en el canal χχ→µµ) y de púlsares, como muestra esta figura. Quizás nunca sea posible que los datos de AMS-02 (solamente) puedan descartar que el origen de la señal es debida a la presencia de púlsares. Más información en Lei Feng et al., “AMS-02 positron excess: new bounds on dark matter models and hint for primary electron spectrum hardening,” arXiv:1303.0530, 4 Apr 2013. Más información en Andrea De Simonee et al., “Interpretation of AMS-02 Results: Correlations among Dark Matter Signals,” arXiv:1304.1336, 4 Apr 2013.

Dibujo20130405 ams-02 pulsar vs dark matter signals

Esta figura compara lo esperado para un fondo de púlsares (arriba) y para la aniquilación de materia oscura (abajo). Por supuesto, estas curvas dependen del tipo de desintegración permitido a la materia oscura, su masa, etc. Más ejemplos de este tipo de figuras, junto a más detalles técnicos en Qiang Yuan et al., “Implications of the AMS-02 positron fraction in cosmic rays,” arXiv:1304.1482, 4 Apr 2013.

Dibujo20130405 ams-02 positron fraction excess and gravitino dark matter model fit

La posibilidad que futuros datos de AMS-02 (a corto plazo) clarifiquen la situación (materia oscura vs púlsares) sólo se espera en algunos escenarios exóticos en los que el exceso cae de forma muy brusca a cierta energía de corte, como en ciertos modelos para la materia oscura basada en gravitinos (como ilustra la curva a trazos en esta figura). Obviamente, salvo dichos casos excepcionales, AMS-02 nos ofrecerá mucha información, pero es muy difícil que sea la necesaria y suficiente para desvelar las propiedades de la partícula responsable de la materia oscura (si existe tal partícula). Más información sobre estos modelos exóticos en Masahiro Ibe et al., “Recent Result of the AMS-02 Experiment and Decaying Gravitino Dark Matter in Gauge Mediation,” arXiv:1304.1483, 4 Apr 2013.

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2 pensamientos en “El exceso de positrones de AMS-02 como señal de la materia oscura

  1. En el caso que fuera por púlsares, ¿cuál sería la causa de la señal? Aun si no se puede distinguir uno de otro, ¿No sería posible distinguirlo en otros canales aun lejos de publicarse como el de los protones? Saludos.

    • Aitor, un púlsar es una estrella de neutrones en rotación que genera grandes campos magnéticos y fotones de alta energía que se pueden desintegrar en pares electrón-positrón. Los positrones (y electrones) pueden ser acelerados por el campo mangético del púlsar; recibimos algo más de positrones si, por pura estadística, la dirección de los campos que aceleran positrones apuntan con preferencia hacia nosotros (repito, por pura estadística, o habrá más electrones o habrá más positrones). Este tipo de señal tiene un corte de energía asociado a cada púlsar (sus propiedades) por lo que el exceso de positrones implica una “suma” de varios cortes, lo que suaviza la señal. Para una señal de materia oscura debería tener un único corte (o varios si hay varias partículas de materia oscura, pero nadie espera tantas partículas como púlsares).

      ¿Protones? Los púlsares también producen y aceleran protones, pero con energías muy inferiores a los electrones y positrones. Para energías cercanas a 1 TeV sólo pueden acelerar partículas ligeras. No se ha observado ningún exceso en el número de protones (ni de antiprotones) de alta energía (cerca de 1 TeV).

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