La línea de rayos gamma a 130 GeV de Fermi-LAT apunta a fluctuación estadística

Dibujo20131014 fermi lat gamma ray 130 GeV line versus montecarlo simulations

Muchos físicos creen que la famosa línea de rayos gamma observada a 133 GeV por el telescopio espacial Fermi LAT en el centro de la Vía Láctea es una señal de la aniquilación de partículas de materia oscura tipo WIMP. La búsqueda de líneas similares en cinco regiones de la Vía Láctea alejadas del centro ha sido infructuosa. Un análisis de los datos de los últimos 4,4 años basado en métodos de Montecarlo indica una significación local de 2,9 σ y significación global de 1,0 σ. Por tanto, todo indica que se trata de una simple fluctuación estadística. Nos ofrece todos los detalles técnicos del análisis Michael Gustafsson (for the Fermi-LAT collaboration), “Fermi-LAT and the Gamma-Ray Line Search,” arXiv:1310.2953 [astro-ph.HE], 10 Oct 2013.

Dibujo20131014 gamma line-signal at 133 gev in r3 fermi-lat

El 27% del universo es materia oscura, pero no sabemos qué es la materia oscura. Si se trata de un fondo cósmico de partículas con masa que interaccionan débilmente (WIMP) en equilibrio térmico, telescopios como Fermi LAT (Large Area Telescope) deben observar la señal de su aniquilación mutua en los halos galácticos. Fermi LAT observa rayos gamma entre 20 MeV y unos 300 GeV. La búsqueda en el centro de la Vía Láctea en una región con un radio de 3º (búsqueda R3) muestra una señal en forma de pico alrededor de 135 GeV con una significación estadística local de 3,2 σ. Una búsqueda refinada (con una malla más fina) encuentra el pico en 133 GeV con una significación local de 3,3 σ. Una búsqueda en toda la galaxia, una región con un radio de 180º alrededor del centro (búsqueda R180) muestra un señal en forma de pico alrededor de 6,5 GeV con una significación local de 3,1 σ (aunque nadie interpreta este otro pico como señal de la materia oscura).

Dibujo20131014 gamma line-signals local fit significance vs line energy in five roi

El enorme interés despertado por la línea de rayos gamma a 130 GeV en el centro galáctico ha obligado a la colaboración Fermi-LAT a realizar un estudio estadístico riguroso de todas las posibles fuentes de error sistemático. Las simulaciones de Montecarlo ajustadas a los datos preprocesados de los detectores tras 4,4 años indican que la señal tiene una significación local de 2,9 σ y una global menor de 1,0 σ. Por tanto, la explicación oficial más razonable es que se trata de una fluctuación estadística. Fermi volverá a realizar una observación específica del centro galáctico en diciembre de 2013 que doblará el tiempo de exposición acumulado hasta ahora. Su análisis clarificará la cuestión de forma definitiva, pero por ahora todo apunta a fluctuación estadística. Una pena para todos los que esperamos ansiosos la primera señal firme de la materia oscura (más allá de su huella gravitatoria).

Coda final. Esta entrada es una participación de La Ciencia de la Mula Francis en la XLV Edición del Carnaval de la Física que acoge Cuantos y cuerdas (@Cuantosycuerdas).

19 pensamientos en “La línea de rayos gamma a 130 GeV de Fermi-LAT apunta a fluctuación estadística

  1. NO me sorprende. Si la idea de la gravedad asintóticamente libre es “buena”, y un higgs con la masa que tiene apunta en esa dirección, entonces es posible que el modelo estándar sea válido hasta la escala de Planck, y, además, podría ser que lo que pensamos es materia oscura fueran en realidad las fluctuaciones cuánticas del campo gravitacional …

    Excepción hecha de unas partículas fantasmagóricas que siempre sorprenden: los neutrinos, el SM es una roca dura de roer…Los neutrinos, o más bien, la evidencia de que los neutrinos son masivos, son la evidencia más sólida de nueva física más allá del modelo estándar. Otra cosa es dónde, en el rango de energías, se halla ésta. Siendo conservadores y fríos, es complicado que low energy (del orden unos pocos TeV) pueda amoldarse a los datos…De hecho, como bien saben los que aquí están siguiendo estos temas, mucha gente está ya subiendo la escala de la cuerda y de SUSY a los millares de TeV, aunque se mantiene la esperanza aún (cada vez más reducida) de observar alguna spartícula en el nuevo run de LHC… Habrá que esperar sin embargo a los datos para ver qué nos espera en esta nueva frontera subzeptométrica: la era del Higgs ha llegado…

    Lo sorprendente y significativo hubiera sido que el análisis mostrara que hay “realidad” en esos pocos sucesos. Otro palo para SUSY indirectamente,… De todas formas, aún quedan los axiones y las partículas de DM superpesadas… Aunque esta última opción rompe “naturalidad”…

  2. Respecto de los neutrinos, sigo sin entender qué tenían de nocivas las primeras mediciones de MINOS y OPERA que detectaron una ligerísima hipervelocidad de la partícula. Otra cosa diferente es que la fluctuación del neutrino suponga un riesgo para la salud de las personas, el medio ambiente y el reino vegetal y mineral, o incluso que a partir del fenómeno haya una base para fabricar armas de destrucción masiva. Pero si no es así, el revuelo que se armó y las dimisiones que se produjeron cortocircuitaron un campo de investigación prometedor que nadie en su sano juicio osará desempolvar. El sueldo y el prestigio profesional actúan de cortafuegos para aventurarse en un proyecto incierto y declarado indeseable por el mainstream. ¿Eh, chicos, cómo osáis infringir los sagrados principios de la relatividad restringida?

    • Artemio, te equivocas de pleno. La búsqueda LIV (Lorentz-invariance violations) es un campo muy activo en la actualidad y trabajan en él, tanto a nivel teórico, como a nivel experimental cientos de físicos en el mundo que reciben financiación continua sin ningún problema. Hay resultados constantemente. Todos, por ahora, negativos. Todos los experimentos han fallado a la hora de encontrar una LIV, pero la búsqueda continua.

      En OPERA y en los otros tres experimentos de LNGS no se puede hacer más de lo que han hecho. Pero el proyecto LAGUNA entre CERN y Finlandia (unos 2300 km de distancia) volverá a repetir las medidas. Y lo mismo pasa con las versiones mejoradas de MINOS y K2K. La física de los últimos 60 años nos indica que ninguno de estos experimentos encontrará una LIV en la física de los neutrinos, pero ello no quita que reciben mucha financiación, porque además estudiarán muchas otras cosas sobre la física de los neutrinos y la escala GUT.

      No entiendo, Artemio, por qué quieres ver una conspiración donde no hay ninguna. ¿Por qué no buscas en la web y te informas sobre el estado actual de la búsqueda de LIV? Sólo tienes que leer unas decenas de papers, entre los miles que hay publicados.

  3. No busco conspiración, pues de haberla la crearon los que armaron el revuelo e impusieron las dimisiones. ¿Eso no es conspirar?

    “En OPERA y en los otros tres experimentos de LNGS no se puede hacer más de lo que han hecho”…

    ¿Eh? ¿Cómo pueden hacer más si bloquearon los datos de hipervelocidad y llenaron de oprobio el prestigio de los equipos de investigación?

    “Todos los experimentos han fallado a la hora de encontrar una LIV, pero la búsqueda continua”…

    Estupendo, ojalá tengan éxito, y que nosotros lo veamos.

    • Artemio, el neutrino tiene masa…NO puede ser superluminal a no ser que alguna hipótesis de las que ahora hemos usado hubiera sido incorrecta para los neutrinos, y eso era MUY difícil (no te digo imposible, porque experimentalmente, eso rara vez se produce-la imposibilidad). Yo estudié teorías con violaciones de invarianza Lorentz/CPT durante mi periodo de máster, y son cosas muy sutiles. Además, el formalismo de SME las parametriza. El punto es que, siendo el neutrino masivo, una velocidad neutrínica superlumínica implicaría (para evitar cosas del tipo Cherenkov en vacío) una geometría muy rara exclusivamente para el neutrino, y que luego no podrías encajar al resto de partículas. Mucha gente se lanzó a intentar explicar el efecto con relaciones de dispersión modificadas tipo geometría de finsler o tipo inducidas por quantum gravity, antes de chequear todo el instrumental, Y, sobre todo Y, todas las correcciones relativistas al tiempo de vuelo del neutrino. En particular, hay un efecto relativista llamado efecto de excentricidad, que da del orden de nanosegundos cuando se usa un GPS. Para comprobar los datos, se debería hacer vía no GPS, o repetir el mismo tipo de experimento (que se va a hacer), …Es notable que las correcciones relativistas a los GPS no son generalmente muy conocidas y son importantes…

      Por otra parte, hay medidas astrofísicas que dicen que para las partículas a muy alta energía, funciona muy bien la relatividad especial (demasiado bien diría yo), así que esperar que el neutrino, una partícula que se mueve casi a la velocidad de la luz (es “casi” un “fotón fermiónico” porque para él E=pc con mucha exactitud), y no se ha encontrado aún experimento alguno en el que el neutrino contradiga la relatividad usual. IceCube y otros telescopios de neutrinos en el futuro darán datos de neutrinos de ultra alta energía que son realmente importantes para todo este marco. Esperaremos.

  4. amarashiki, estoy de acuerdo con tus observaciones pero con matices. Las hipótesis que se manejan para el neutrino sufrieron una distorsión con las primeras medidas de MINOS y OPERA, luego corregidas no sin dejar víctimas por el camino. En mi opinión, subjetiva y falible, esto constituye una de las páginas más infamantes de la física actual.

    “una geometría muy rara exclusivamente para el neutrino,”…

    Humm, yo buscaría por la física, no por la geometría, entonces dejaría de ser rara, pienso. Del mismo modo que la materia oscura la buscaría por el hidrógeno metálico, que la apantalla, esto
    pienso.

    “y que luego no podrías encajar al resto de partículas…”

    ¿No crees que el neutrino tiene que encajar con el campo neutrino del mismo que el electrón tiene que encajar con el campo electrón?

    Tengo que salir pitando, quizá mañana más ;-)

    • Artemio, segun tengo entendido (leido en noticias) la dimision de los jefes del experimento se debio a que, a pesar de que el grupo de colaboradores votaron por su continuidad, no tenian mucho apoyo. Ademas que hubo participantes del experimento que no quisieron firmar el trabajo. El error en si, no era el problema, el problema es la celeridad para interpretar los datos sin revisiones y con interpretaciones polemicas encimas. Si el error salta unos años despues y ya se hicieron trabajos teoricos tratando de explicar el fenomeno y se gastan millonadas en experimentos y equipos basados en una interpretacion falsa y apresurada… ¿No seria como minimo, molesto? Cuando uno saca conclusiones a partir de un experimento debe ser muy cuidadoso, en cualquier disciplina, o al menos esa es mi idea personal.
      Respecto de la violacion de la invarianza lorentz no me siento capacitado para entrar a la discusion pero parece ser una cuestion muy sutil e interesante.
      Saludos.

  5. “El error en sí, no era el problema, el problema es la celeridad para interpretar los datos sin revisiones y con interpretaciones polémicas encimas”…

    ¿Qué error? Aunque cito de memoria, MINOS detectó un máximo de 60 nanosegundos y OPERA de 18 nanosegundos, ¿Dónde está el error?

    OPERA hizo un llamamiento a otros colegas para que aportasen sus ideas y comentarios a la desviación, actuaron con honestidad, pero nadie dijo nada relevante. Insisto, esto constituye un caso lamentable de dogmatismo cuasi-religioso, una página infame de la física contemporánea. Saludos.

    • Artemio, te falla la memoria. En este blog tienes todos los detalles sobre lo que MINOS, OPERA, LVD, BOREXINO e ICARUS midieron. Lo que no sé es si de verdad te interesa aprenderlos o prefieres es su lugar inventártelos.

  6. Francis, pues no sé a quién le falla la memoria, pero lo malo no es esto sino querer echar balones fuera. MINOS detectó superluminidad desde 2007 a 2011. A este respecto escribiste lo siguiente el 8 de junio de 2012:

    “Finalmente, MINOS (EE.UU.) también ha vuelto a medir la velocidad de los neutrinos ampliando los datos que publicó en 2007 con nuevos datos hasta 2011. El nuevo resultado es δt = −18 ± 11 (stat) ± 29 (syst) ns, también compatible con cero. Más información en Phil Adamson (Fermi National Accelerator Laboratory), “Neutrino Velocity: Results and prospects of experiments at other beamlines,” Neutrino 2012, 8th June, 2012.

    ¿18 segundos de adelanto son compatibles con cero? ¿Cuatro años de medidas de hipervelocidad son erróneas?

    El 22 de septiembre de 2011 Science publicaba lo siguiente:

    “Over 3 years, OPERA researchers timed the roughly 16,000 neutrinos that started at CERN and registered a hit in the detector. They found that, on average, the neutrinos made the 730-kilometer, 2.43-millisecond trip roughly 60 nanoseconds faster than expected if they were traveling at light speed. “It’s a straightforward time-of-flight measurement,” says Antonio Ereditato, a physicist at the University of Bern and spokesperson for the 160-member OPERA collaboration. “We measure the distance and we measure the time, and we take the ratio to get the velocity, just as you learned to do in high school.” Ereditato says the uncertainty in the measurement is 10 nanoseconds”.

    ¿Una horquilla de entre 10 y 60 nanosegundos son compatibles con cero, con medidas tomadas a lo largo de tres años?

    http://news.sciencemag.org/2011/09/neutrinos-travel-faster-light-according-one-experiment

    Matt Strassler confirmaba la superluminidad de los neutrinos pero rebajaba la horquilla a 10-15 nanosegundos para acabar promediando a 30 nanosegundos. Eso fue antes de las correcciones:

    http://profmattstrassler.com/2011/10/06/is-the-opera-speedy-neutrino-experiment-self-contradictory/

    En resumen, si quieres echar balones fuera agarrándote a las correcciones posteriores en vez de reflexionar al respecto, eres libre de hacerlo. Yo sigo pensando que la campaña de acoso y derribo a las primeras detecciones de MINOS y OPERA es bochornosa, patética y nefasta para el método científico, pero claro, es mi opinión.

    • Artemio, si el error de una medida es más grande que el valor de dicha medida, ¿cómo interpretas el resultado? Por ejemplo, ¿es cierto que una mosca mide −0.3 ± 0.1 (stat) ± 0.5 (syst) metros? Obviamente es completamente cierto. ¿Significa esto que las moscas miden una longitud negativa? No, nadie interpretaría así dicha medida. Todo el mundo lo interpreta como que la regla usada para medir no era adecuada (las moscas son muy pequeñas para ser medidas con una escala de metros).

      Recuerda. El valor δt = −18 ± 11 (stat) ± 29 (syst) ns, significa δt = −18 ± sqrt (11^2 + 29^2) ns = −18 ± 31 ns, luego el error (31 ns) es casi el doble que el valor medido (-18 ns).

  7. El “error” se define así cuando dos grupos independientes, uno en en USA y otro en la UE comienzan a falsar uno de los principios de la RE. A partir de ahí se activa la alarma y empieza la campaña de acoso y derribo, el ruido mediático y la indignación de algunos blogueros ante la herejía. Pero yo voy por otro lado, quiero ver la botella medio llena y sacar las conclusiones oportunas, y en ello estoy ;-)

    • Pero eso implica partir del postulado que falsaron los datos (sin contar hasta donde yo se, solo OPERA encontro muones superluminicos, ¿Cual es el experimento en USA, si MINOS refuto los resultados de OPERA?)… estas asumiendo que ese conector mal puesto no afecta la medicion (se de lo que hablo, llevo 10 años trabajando con equipos electronicos, diseñando y armando como para decirte que un conector medio flojo puede joder hasta en la medicion mas sencilla y bruta) Nuevamente, te remito al comentario de El Cid, sobre como proceder cuando una medicion da un resultado que es tan excepcional. Precaucion, no al cuadrado, no al cubo, a la decima potencia.
      ¿Puede ser tan dificil entender ademas, que la critica a este experimento no lleva implicito que los fisicos rechazen de plano la existencia de invarianza lorentz, sino que quieren, como corresponde, mediciones robustas, bien contrastadas y falseadas hasta el limite, para verificar o no su existencia potencial? Eso es la escencia de la fisica: metrologia al palo, siempre redundante y hasta exasperante, pero sin la cual es imposible afirmar algo cientificamente.
      Saludos.

  8. Lo que MINOS ha hecho con sus datos desde 2007 hasta la fecha tendrás que preguntárselo a ellos, yo no trabajo con MINOS. Los datos están ahí, descífralos. Lo del cable mal conectado, pues vale, el cable estaba mal conectado ;-)

    • Artemio, los datos obtenidos, el análisis realizado y los resultados de MINOS están publicados así como las conclusiones oficiales. Todos los interesados pueden leerlas en ArXiv. Obviamente, a quien no quiere leer nadie le obliga a hacerlo.

  9. amarashiki, me gustaría matizar tu opinión, resulta que Francis descartó errores en el GPS y escribió lo siguiente:

    “¿Los físicos de OPERA han sincronizado bien los relojes en el CERN y en Gran Sasso? Para esta sincronización se han utilizado el sistema de GPS. Algunos expertos han indicado que si dicho sistema no es muy estable podría haber errores de hasta 100 nanosegundos en la sincronización. Estos expertos indican que OPERA debería haber recalibrado la sincronización de los relojes al menos una vez al mes durante la toma de datos. Sin embargo, los físicos de OPERA afirman que lo calibraron en mayo de 2008 y en julio de 2011 y no observaron ningún cambio (más allá de unos pocos nanosegundos en 3 años). Además, las fluctuaciones estadísticas en los GPS deberían conducir a variación aleatoria de la sincronización y es muy improbable que estas fluctuaciones sesgaran la medida en 60 ns”. Y luego dirige la pesquisa a un error en el software:

    “¿Qué error pueden haber cometido los físicos de OPERA? Mucha gente está apuntando a un error (bug) en el software. Quizás un error tipográfico en un programa de ordenador que sesga el resultado de las medidas (como poner 28 ns donde habría que poner 82 ns). Este tipo de errores humanos son muy díficiles de descubrir y nunca se puede estar seguro al 100% de que no se hayan cometido. El problema de un error de este tipo es que solo los físicos de OPERA serán capaces de descubrirlo”:

    https://francisthemulenews.wordpress.com/2011/12/02/que-puede-haber-fallado-en-la-medida-de-la-velocidad-de-los-neutrinos-muonicos-de-opera/

    Una vez realizada la investigación pertinente el error estaba en la conexión defectuosa de un cable de fibra óptica que conducía la señal externa del GPS al reloj maestro de OPERA y con un oscilador que no iba bien. Pero en las medidas de Borexino de octubre-noviembre de 2011[se observaron 36 neutrinos y obtuvieron un valor (menos preciso) de δt = 6,5 ± 7 (stat) ± 6 (sys) ns, también compatible con cero]. Observa las dos imágenes con que Francis abre la entrada; en la primera se ven fluctuaciones superiores a 100 nanosegundos. La desviación se corrige en la medida de mayo de 2012 y promedia a cero (segunda imagen). En ambos casos el GPS funcionó a la perfección.

    https://francisthemulenews.wordpress.com/2012/08/01/la-medida-de-la-velocidad-de-los-neutrinos-muonicos-en-el-experimento-borexino-de-gran-sasso/

    Lo que me pregunto es lo siguiente; si las fluctuaciones superiores a 20 nanosegundos (llegaron a 100 nanosegundos en Borexino) que se midieron sin errores en el GPS y con el cable de fibra óptica bien conectado son correctas ¿por qué se produce cierta coincidencia en ambos experimentos? Es decir, con independencia de los errores del GPS y el cableado, ¿por qué Borexino se aproxima a OPERA? Ni siquiera OPERA-1 detectó una fluctuación superior a 100 ns, a lo más que llegó fue a 90 ns. Claro, una vez comparada la medida la coincidencia no es tal, OPERA-1 promediaba a 62 ns y Borexino a 6,5 ns, pero los picos a la derecha de la primera imagen son altos, hay uno que se desparrama más allá de 100 ns.

    Además, escribe Francis [Richard Gran, investigador de la Universidad de Minnesota-Duluth en MINOS, explicó en una conferencia impartida la semana pasada en el IFIC que “MINOS obtuvo un resultado similar a OPERA en 2007.” Sus resultados eran mayores (detectaban neutrinos 126 nanosegundos antes de lo debido por los 60 nanosegundos reportados por OPERA), pero también sus porcentajes de error, por lo que los científicos de MINOS no se centraron en este efecto].

    En efecto, MINOS perfecciona el dispositivo a partir de 2007 y mejora la señal del GPS desde la antena al aparato contenido en un frigorífico, lo que permite mejorar la medida. Pero Francis añade: “La media global de todos los datos es negativa (los neutrinos van más rápido que la luz), aunque con un error enorme, debido a su gran dispersión estadística (tienes los valores en el segundo párrafo de esta entrada)”. Perfecto, la desviación se atribuye a la dispersión estadística, pero la desviación ocurre. Es decir, primero se habla de errores en el GPS, después del cable mal conectado y el oscilador, después que la RE es infalsable y por último se acude a la dispersión estadística. Todo va en la dirección contraria al efecto superluminal del neutrino. Hay algo que no me cuadra; a medida que se acerca la fecha del error, y después de la corrección, los resultados compatibilizan con cero, pero antes de esa fecha (excepto Borexino octubre-noviembre 2011) las fluctuaciones superluminales son grandes, incluso con los porcentajes de error y la dispersión estadística. Otra duda que tengo es si la sensibilidad de los detectores influye en la medida:

    https://francisthemulenews.wordpress.com/2011/11/22/el-experimento-opera-y-los-pulsos-cortos-de-neutrinos-superluminicos/

    https://francisthemulenews.wordpress.com/2012/06/14/con-los-gps-en-el-frigorifico-para-medir-la-velocidad-de-los-neutrinos-en-minos/

    En resumen, equivocado o no, mantengo mi escepticismo con este asunto y sigo deplorando el trato injusto que se dio al equipo de OPERA y también lamento las dimisiones que se produjeron. OPERA actuó con completa honestidad y no mereció el oprobio que le cayó encima.

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