La búsqueda de las axiones como candidatos a materia oscura

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Sabemos que la materia oscura existe, pero no sabemos lo que es. La búsqueda de partículas WIMP no ha tenido éxito en las últimas décadas. Un candidato alternativo son los axiones, unas partículas superligeras predichas por la cromodinámica cuántica. Los axiones son una predicción teórica del modelo estándar y permiten explicar la materia oscura fría sin necesidad de física más allá del modelo estándar. El año pasado se inició el experimento de búsqueda de los axiones llamado ADMX (Axion Dark Matter Experiment) en el Centro de Física Nuclear Experimental y Astrofísica de la Universidad de Washington. La colaboración ADMX nació en 1996 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, pero en 2010 se mudó de Livermore a Washington, junto con su director Leslie Rosenberg (el experimento es un cilindro de 4 metros de longitud fácilmente transportable por carretera). Se espera que en los próximos años el experimento ADMX descubra o descarte de forma definitiva la existencia de los axiones. Nos lo cuenta Adrian Cho, “Dark Matter’s Dark Horse,” Science 342: 552-555, 1 Nov 2013.

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El experimento LUX no encuentra partículas WIMP de materia oscura de menos de 33 GeV

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La noticia del día es la rueda de prensa con los nuevos resultados del experimento Large Underground Xenon (LUX) de búsqueda de materia oscura en el Laboratorio Subterráneo de Sanford, Lead, Dakota del Sur. No se han encontrado partículas WIMP de masa menor de 33 GeV/c² durante los 85,3 días de estudio de 118 kg de xenón entre abril y agosto de 2013. Se descarta al 90% C.L. la interacción elástica de estas partículas WIMP con nucleones, interacción independiente del espín, con una sección eficaz superior a 7,6 × 10−46 cm². Un resultado espectacular y una mala noticia para quienes pensaban que la materia oscura son partículas WIMP de baja masa. El artículo técnico es D.S. Akeri et al., “First results from the LUX dark matter experiment at the Sanford Underground Research Facility,” Preprint enviado a PRL y ArXiv. Transparencias [slides PDF] utilizadas en la rueda de prensa de Rick Gaitskell (Brown) y Dan McKinsey (Yale). Más info divulgativa en Eugenie Samuel Reich, “No sign of dark matter in underground experiment. LUX, the most sensitive dark matter detector yet, fails to capture mysterious particles,” News Nature, 30 Oct 2013; Adrian Cho, “New Experiment Torpedoes Lightweight Dark Matter Particles,” Science NOW, 30 Oct 2013; y “First results from LUX experiment in South Dakota. World’s most sensitive dark matter detector operating at the Sanford Underground Research Faciility,” Sanford Lab News, Oct 30, 2013.

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

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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.

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Futurología: En la presente década se desvelará el misterio de la materia oscura

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La materia oscura ha sido descubierta gracias a sus efectos gravitatorios, sin embargo, nos gustaría saber si corresponde a una nueva partícula y en su caso cuál es su masa, su espín, si es estable o metaestable, cómo se acopla a las interacciones débiles, al campo de Higgs, a los quarks y gluones, a los leptones, incluso si se trata de una reliquia térmica de la gran explosión (big bang). Hay muchos experimentos en curso que buscan rellenar estos detalles durante la presente década (antes de 2020). La charla de Tim M.P. Tait, “Assembling a Theory of Dark Matter,” Snowmass, Jul 29, 2013 [slides], nos propone un cronograma.

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Francis en Trending Ciencia: La materia oscura en el Sistema Solar

Dibujo20130715 Trending Ciencia - materia oscura

Ya puedes escuchar mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia siguiente este enlace.

Me encuentro en la trigésimocuarta Reunión Bienal de la Real Sociedad Española de Física que se celebra en Valencia, del 15 al 19 de julio de 2013. He elegido como tema para mi podcast el artículo de N. P. Pitjev, E. V. Pitjeva, “Constraints on Dark Matter in the Solar System,” Astronomy Letters 39: 141-149, March 2013 [arXiv:1306.5534]. Los autores han utilizado el movimiento de los planetas (unas 677.000 observaciones) para estimar la densidad de materia oscura y masa total a varias distancias del Sol. El resultado es que la densidad es menor de 1,1 ×10^{-20} g/cm³ en una esfera de radio similar a la órbita de Saturno, menor de 1,4 ×10^{-20} g/cm³ en una esfera de radio similar a la órbita de Marte y menor de 1,4 ×10^{-19} g/cm³ en una esfera de radio similar a la órbita de la Tierra. Estas cotas superiores para la densidad de materia oscura en el sistema solar son enormes comparadas con las estimaciones basadas en el halo galáctico (al menos tres órdenes de magnitud por encima) por lo que nos dan muy poca información práctica sobre la materia oscura en el Sistema Solar.

Dibujo20130715 dark matter solar system estimation - planetary measurements

En el Sistema Solar hay dos tipos de materia oscura. Por un lado, la materia oscura capturada por el campo gravitatorio del Sol y de los planetas, que puede encontrarse en sus núcleos o dando vueltas a su alrededor. Y por otro lado, la materia oscura del halo galáctico que atraviesa el Sistema Solar mientras rota alrededor del centro galáctico. En ambos casos, la materia oscura podría afectar al movimiento de los planetas. La hipótesis más sencilla es que la materia oscura tiene una densidad constante a la escala del sistema solar. En dicho caso supondría una corrección a la ley de Newton que implicaría una precesión del perihelio de los planetas. Un cálculo del efecto indica que sería unos 7 órdenes de magnitud más pequeño que la precisión actual con la que podemos medir su efecto. Es decir, sería imposible detectar este efecto en el movimiento de los planetas.

Por ejemplo, en 1995 se utilizó el movimiento del perihelio del asteroide Icarus, que se encuentra a 1 unidad astronómica del Sol, que se conoce con un error de un 8%, para estimar la densidad de materia oscura en el sistema solar. El valor obtenido para la densidad de materia oscura en el sistema solar era un valor menor de 1,8 por 10^-16 g/cm^3, que es unas siete órdenes de magnitud más grande que la densidad predicha de materia oscura en nuestra galaxia. Más información en Øyvind Grøn, Harald H. Soleng, “Experimental limits to the density of dark matter in the solar system,” Astrophys.J. 456 (1996) 445-448 [arXiv:astro-ph/9507051].

Las estimaciones de la densidad de materia oscura en el halo galáctico de la Vía Láctea son difíciles de realizar con precisión, pues requieren una hipótesis sobre su distribución; una estimación grosera nos lleva a un valor cercano a 1,3 × 10^−23 g/cm³. Un valor entre tres y cuatro órdenes de magnitud mayor que el obtenido por los rusos N. P. Pitjev y E. V. Pitjeva. Su trabajo es muy interesante pero su resultado nos ayuda poco en la búsqueda directa de las partículas de materia oscura.

En resumen, un podcast breve pero que espero que te haya gustado. Sigue este enlace si aún no lo has escuchado.

Consecuencias astrofísicas de la materia oscura ligera

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La mayoría de los físicos piensan que la materia oscura está formada por partículas que aún no han sido detectadas. En los últimos años varios experimentos apuntan a partículas ligeras, con una masa menor de 10 GeV/c² (p.ej. CDMS II apunta a 8,6 GeV/c²). Tal tipo de materia oscura tendría dos consecuencias astrofísicas que podrían ser detectadas por los astrónomos. Primero, estas partículas serían atrapadas por las estrellas y se acumularían en su interior; esto afectaría poco a estrellas como el Sol, pero afectaría mucho a estrellas de baja masa (menor de 0,2 masas solares) pues cambiaría la temperatura de su núcleo; el cambio se notaría en la evolución de su curva de luminosidad con el tiempo. Y segundo, también afectaría a la corriente de estrellas de Sagitario que cruza el plano de nuestra galaxia, cambiando el número de partículas de materia oscura que esperamos detectar en los experimentos de búsqueda directa. Por ahora, ambos efectos no han sido observados, aunque la incertidumbre experimental es alta; quizás en los próximos años se puedan observar estos fenómenos. Nos lo cuenta Andrew R. Zentner, “Stuff that happens in astrophysics if the dark matter is light,” slides, que resume sus resultados de sus tres artículos: Andrew R. Zentner, Andrew P. Hearin, “Asymmetric Dark Matter May Alter the Evolution of Low-mass Stars and Brown Dwarfs,” Phys. Rev. D 84: 101302, 2011 [arXiv:1110.5919]; Chris W. Purcell, Andrew R. Zentner, Mei-Yu Wang, “Dark Matter Direct Search Rates in Simulations of the Milky Way and Sagittarius Stream,” JCAP 08(2012)027 [arXiv:1203.6617]; y Chris W. Purcell, Andrew R. Zentner, “Bailing Out the Milky Way: Variation in the Properties of Massive Dwarfs Among Galaxy-Sized Systems,” accepted by JCAP, 2013 [arXiv:1208.4602].

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CDMS-II observa tres partículas tipo materia oscura con una masa de 8,6 GeV/c²

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Los detectores de silicio del experimento de búsqueda directa de materia oscura CDMS-II (Colaboración SuperCDMS) ha observado 3 eventos candidatos, cuando se esperaban 0,7 eventos, lo que implica una señal a 3σ (99,8% CL) de una partícula de materia oscura tipo WIMP con una masa de 8,6 GeV/c² y una sección eficaz WIMP-nucleón de 1,9 × 10-41 cm²; los detectores de germanio de este detector (menos sensibles a partículas de masa menor de 10 GeV/c²) observaron 2 eventos candidatos para un fondo esperado de 0,9 eventos en 2010.

El nuevo artículo técnico es CDMS Collaboration, “Dark Matter Search Results Using the Silicon Detectors of CDMS II,” arXiv:1304.4279, 15 Apr 2013 [CDMS-II preprint at Berkeley]; ver también CDMS Collaboration “Silicon Detector Results from the First Five-Tower Run of CDMS II,” arXiv:1304.3706, 12 Apr 2013. Se han hecho eco de la noticia Kathryn Jepsen, “Cryogenic Dark Matter Search Adds New Intrigue with Latest Result,” SLAC News, Apr 15, 2013, y Dan Bauer, “Dark-matter search results from CDMS II silicon detectors,” Fermilab Today, Apr 15, 2013. Recomiendo también las charlas de Bernard Sadoulet, “The Search for Weakly Interacting Massive Particle Dark Matter,” APS 2013 W.K.H Panofsky Prize, Apr 14, 2013 [slides], Blas Cabrera, “Cryogenic Particle Detectors in Search for Dark Matter,” Panofsky Prize presentation, APS April Meeting, Apr 14, 2013 [slides] y Kevin A. McCarthy (MIT, SuperCDMS & CDMS Coll.), “Dark Matter Search Results from the Silicon Detectors of the Cryogenic Dark Matter Search Experiment,” Apr 14, 2013 [slides].

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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.

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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.

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Los tres primeros días de Moriond 2013

Dibujo20130305 Neff CMB Multipole SPT BAO WMAP

Los Encuentros de Moriond de 2013 sobre Teoría Electrodébil (Rencontres de Moriond EW 2013) se inauguraron el domingo pasado, 3 de marzo, con charlas sobre quarks pesados (bottom y charm), continuaron ayer lunes con charlas sobre materia oscura y el quark top, y hoy con charlas sobre neutrinos. En estos tres días no ha habido sorpresas (la mayoría de los resultados presentados ya eran conocidos y los pocos nuevos eran mejoras de resultados previos). El día estrella será mañana, con la retransmisión vía webcast de los nuevos resultados sobre el Higgs. Mis obligaciones docentes no me permitirán ver toda la retransmisión, pero espero poder hacer un resumen mañana por la noche a partir de las transparencias (slides) utilizadas (por cierto, hay que subscribirse para poder acceder a ellas).

La figura que abre esta entrada está extraída de la charla de Brent Follin (UC Davis / SPT Collaboration), “Exploring Neutrino Physics with the Cosmic Microwave Background,” Moriond EW, 5 Mar 2013 [slides], centrada en los resultados de SPT (South Pole Telescope) ya publicados en octubre de 2012 y su combinación con los de ACT y WMAP-9. Resume bien la situación actual a la espera de la publicación de los datos del satélite Planck el próximo 21 de marzo de 2013. Destaca la “tensión” entre los resultados de ACT y SPT.

Dibujo20130305 borexino - annual modulation - preliminary result - and neutrino velocity CNGS

Szymon Manecki (VirginiaTech / Borexino Collaboration), “Precision Measurement of the Beryllium-7 nu’s with the Borexino Detector,” Moriond EW, 5 Mar 2013  [slides], nos ha presentado los primeros resultados sobre la oscilación anual en el flujo de neutrinos detectados usando Be-7 en este detector (situado en Gran Sasso, Italia). Super-Kamiokande y SNO ya observaron hace años esta oscilación anual, pero en B-8. También ha presentado el resultado de la medida de la velocidad de los neutrinos múonicos generados en CNGS (los que OPERA anunció por error como superlumínicos).

Dibujo20130305 LNV new limits - majorana neutrinos

Como nos cuenta T. R. Hampson (Univ. Bristol / LHCb collaboration), “Charm mixing and CP violation in LHCb,” Moriond EW, 2 Mar 2013 [slides], LHCb no ha encontrado evidencia de la existencia de neutrinos de Majorana en la desintegración de las mesones D+ tras estudiar 1 /fb de datos de colisiones protón-protón en el LHC a 7 TeV c.m. de 2011; aunque no se presentan análisis de los 2 /fb a 8 TeV c.m. obtenidos en 2012, el nuevo límite es uno dos órdenes de magnitud mejor que el último publicado.

Dibujo20130305 FCNC - Dplus - suppressed by GIM theorem

LHCb tampoco ha observado corrientes neutras que cambian el sabor (FCNC) en la desintegración de mesones es D+ (también tras estudiar 1 /fb de colisiones a 7 TeV c.m.), como nos ha contado T. R. Hampson [slides]. Aún así, el límite todavía está un orden de magnitud por encima de las predicciones del modelo estándar, lo que no quita que vaya en contra de ciertas teorías más allá del modelo estándar (muchas de las cuales predicen un reforzamiento de las FCNC).

Dibujo20130305 ams-1 Pamela Fermi Heat - estimation AMS ISS 2028 error size

La búsqueda de la materia oscura en Moriond, como ya es habitual, no presenta ningún resultado relevante. Ahora mismo todo está pendiente de lo que pueda ofrecer AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) en los próximos días, pero Bruna Bertucci (Univ. Perugia / INFN), “AMS-02: Status & (future) results,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides], no ha soltado prenda en su charla. Se han recogiod unos 30 mil millones de sucesos desde el 19 de mayo de 2011 y próximamente se publicará un artículo sobre la fracción de positrones observada con energía hasta 350 GeV, lo que refutará o confirmará la anomalía observada por PAMELA (un exceso de positrones para energías entre 20 y 100 GeV). Esta anomalía no tiene una explicación aún (si posible origen en la materia oscura encuentra el problema de la ausencia de un exceso en el flujo de protones).

Dibujo20130305 fermi lat 135 GeV line - preliminary

Fermi LAT tampoco ha observado ninguna señal de la materia oscura, salvo la famosa línea espectral de rayos gamma a unos 130 GeV en la dirección del centro de la Vía Láctea. La señal es muy clara, alcanzando 4,0 sigmas sobre el fondo, como nos cuenta Gabrijela Zaharijas (ICTP / INFN, Trieste), “Searches for WIMP dark matter with the Fermi LAT for the Fermi-LAT collaboration,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides], quien además nos indica que una calibración de los calorímetros ha desplazado la línea hasta los 135 GeV. Todavía no se conoce la causa de dicha anomalía (también observada en el limbo de la Tierra). Nos comenta la posible explicación como materia oscura Alejandro Ibarra (Technische Universität München), “Fermi-LAT limits on mass degenerate dark matter scenarios,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides]. La línea espectral observada por Fermi LAT podría tener su origen en la desintegración de una partícula de materia oscura con masa 149 ± 4 GeV y <σv> = (5,7 ± 1,4) × 10−27 cm³/s, para una señal de 4,3 σ (aunque sólo 3,1 σ teniendo en cuenta el efecto LEE). Hay que tener cuidado con este valor, pues Ibarra no ha actualizado sus datos sobre la línea y también apunta como explicación alternativa una partícula con masa de 130 GeV y <σv> =1,27 × 10−27 cm³/s, para una señal de 4,6 σ (3,3 σ con LEE).

Otros experimentos han actualizado sus resultados como Daya Bay [slides], OPERA [slides], T2K [slides], EXO-200 [slides], etc., pero sin ninguna novedad relevante. En resumen, habrá que esperar a mañana, a ver qué novedades sobre el Higgs nos quieren contar.