Nuevos datos de AMS-02 en la ISS sobre el exceso de positrones en los rayos cósmicos

Samuel Ting, Premio Nobel de Física 1976, presentó ayer en el ICRC 2013, Río de Janeiro, los nuevos resultados de AMS-02, instalado en la ISS, sobre los rayos cósmicos. Lo más interesante es que el exceso de positrones se mantiene constante hasta los 360 GeV (los datos ya publicados en PRL llegaban a 260 GeV) lo que apoya que su origen no es la materia oscura (el esperado corte en energía no se observa). La fuente de estos positrones es isótropa, con una anisotropía dipolar menor de 0,030 al 95% CL, lo que complica su origen astrofísico y apoya la hipótesis de la materia oscura. Esta contradicción requiere futuros estudios que aclaren el origen del exceso, pero en mi opinión, todo apunta a un origen astrofísico (como ya han apuntado muchos estudios técnicos), en contra de la materia oscura (partículas de materia oscura con una masa superior a 500 GeV son difíciles de casar con las evidencias gravitatorias). Todavía no están disponibles las transparencias de la charla, ni los correspondientes artículos técnicos, pero en la web de AMS-02 se ha publicado un breve resumen de los resultados.

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

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.

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

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.

La NASA retrasa por enésima vez el lanzamiento del espectrómetro AMS-02 hacia la ISS

Los lanzamientos de los transbordadores espaciales siempre están repletos de incidencias (y esta entrada también ha estado sujeta a muchas incidencias). Así que cambio por enésima vez el título y quito los párrafos que taché…

El 29 de abril, a las 3:47 p.m. EDT, es decir, a las 21:47, hora de Madrid, el transbordador espacial Endeavour iba a dar inicio a la misión STS-134 que llevaría el espectrómetro AMS-02 hasta la Estación Espacial Internacional. El lanzamiento se podría haber visto en directo en la web del CERN seguiendo este enlace.

Quizás sea el momento de recordar algunas cosas sobre la AMS-02, para los despistados que no la conozcan. Te recomiendo el artículo de Manuel Aguilar Benítez de Lugo, «En busca de la antimateria perdida,» Real Academia de Ciencias, Exactas, Físicas y Naturales, Director del Departamento de Investigación Básica del CIEMAT, 2010. Os extraigo algunos párrafos, para abrir boca, lo que no quita que también os recomiende su lectura detallada. Las imágenes con las que acompaño esta entrada están extraídas de J. Casaus, «The AMS Experiment on the ISS,» Discrete-08, Valencia (Spain), 2008.

«El estudio de la radiación cósmica ha sido la herramienta fundamental para avanzar en el conocimiento del Universo. El espectrómetro AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) será instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS por International Space Station) y realizará medidas precisas y de larga duración de las componentes electromagnética y cargada de la radiación cósmica en ausencia de contaminación atmosférica. La ISS (el instrumento de coste más elevado construido hasta la fecha, con un coste estimado de 157 mil millones de dólares, más de 25 veces el coste del acelerador LHC (Large Hadron Collider) en el CERN) es un lugar privilegiado para el estudio de la radiación cósmica primaria, al eliminar los problemas derivados de la existencia de atmósfera. Sin embargo, las restricciones impuestas por el limitado suministro eléctrico y el peso de la instrumentación, así como las implicaciones debidas al entorno de vacío, microgravedad, radiaciones y variaciones de temperatura, constituyen un enorme desafío para el diseño, construcción y operación de instrumentación del tipo de la utilizada en experimentos de física de partículas. El instrumento AMS─02 constituye un esfuerzo pionero para el aprovechamiento del extraordinario potencial de la Estación Espacial Internacional para el desarrollo de un ambicioso programa de investigación en Astrofísica de Partículas.

En 1994 el Profesor S. S. C. Ting, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Premio Nobel de Física en 1976, propuso al Departamento de Energía (DOE) de los Estados Unidos la construcción de un detector de altas prestaciones para ser instalado a bordo de la ISS. El peso del detector y su consumo eléctrico debían respetar las limitaciones impuestas por la NASA (6700 kg y 2 kilovatios de potencia). El éxito científico de una misión espacial depende del correcto funcionamiento de todos los sistemas que componen el instrumento en las condiciones hostiles espaciales: aceleración 3’0 g en el despegue, deceleración 6’5 g en el aterrizaje, vibraciones (150 dB), gradientes de temperatura del orden de 100 ºC (−65 ºC / +40 ºC), radiación ambiental, alto vacío, microgravedad, impacto de micro-meteoritos, etc. Además, la instrumentación espacial exige un alto grado de redundancia para evitar posibles fallos.

En 1995 nació la Colaboración Internacional AMS que construiría el instrumento en dos etapas. En una primera etapa la Colaboración construiría un instrumento prototipo (AMS-01) que validaría el concepto experimental en un vuelo precursor de uno de los trasbordadores a la estación espacial rusa MIR. En una segunda etapa se construiría un instrumento (AMS-02), con los últimos avances tecnológicos, que sería transportado a la ISS en donde permanecería instalado por un periodo no inferior a 3 años. El AMS─01 tomó datos a bordo de la estación espacial MIR durante el periodo 2─10 de Junio de1998, recolectando unos ~100 millones de rayos cósmicos. Su éxito científico-técnico confirmó que es posible realizar medidas de alta precisión de espectros de partículas cargadas de alta energía en el espacio.

La contribución española al proyecto del AMS-02, organizada desde el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas), se ha focalizado en el diseño y construcción, por la empresa CRISA, de los sistemas electrónicos que permiten cargar eléctricamente el imán superconductor, monitorizar y controlar su operación (Cryomagnet Avionics Box, CAB) y en el diseño y construcción del contador Cherenkov (RICH).

Durante los primeros tres años de operación AMS-02 puede acumular estadísticas importantes de los núcleos más abundantes presentes en la radiación cósmica. Por ejemplo: ~10⁸ protones con energías > 100 GeV, ~10⁷ núcleos de helio con energías > 100 GeV/nucleón, y ~10⁵ núcleos de carbono con energías > 100 GeV/nucleón. Estas muestras estadísticas y la precisión en la determinación de las propiedades de las partículas que forman la radiación cósmica, debido a las altas prestaciones del instrumento, van a permitir desarrollar un variado y novedoso programa de investigación:

• Estudio de precisión de la composición y propiedades de los rayos cósmicos en rangos de energía de hasta 1 TeV.
• Estudio de la radiación gamma difusa en el intervalo de energía 0’1 GeV – 1 TeV.
• Estudio de la emisión de rayos gamma con energías superiores a varios GeV en pulsares  en la Vía Láctea.
• Búsqueda de antimateria cósmica primaria. Con una muestra de 2×10⁹ núcleos de helio con energías hasta los 2 TeV, en caso de no encontrarse ningún núcleo de antihelio, será posible excluir la existencia de antimateria hasta el confín observable del Universo (~1000 Mpc, ~3×10²⁴ km).
• Evidencia y naturaleza de la materia oscura. El estudio de la dependencia con la energía de la fracción de positrones  (e⁺) sobre el total de electrones y positrones (e⁺+e^–) podría revelar la existencia de nuevas partículas compatibles con la abundante presencia de materia oscura. En caso de descubrirse otros posibles candidatos (p. ej. partículas supersimétricas) en experimentos con aceleradores de partículas, el estudio comparativo de las características de ambas señales podría ser de gran interés.     
• Búsqueda de nuevas formas de materia en el Universo, por ejemplo núcleos de materia compuestos de super-nucleones formados por tres tipos de quarks (u, d, s). Este tipo de núcleos, denominados “strangelets”, se caracterizan por tener pequeños valores del cociente Z/A (~0’1) a diferencia de lo que ocurre en los núcleos ordinarios (Z/A~0’5). Algunas hipótesis apuntan a que las estrellas de neutrones son en realidad un único gigantesco “strangelet”.

El objetivo científico más atractivo del programa de AMS-02 es la exploración de lo desconocido, la búsqueda de fenómenos que existen en la Naturaleza y que nunca habíamos imaginado o para los que no estábamos equipados con la adecuada instrumentación. La versatilidad y prestaciones de AMS-02 hacen que sea considerado ya como el “Telescopio Hubble” para partículas cargadas.

Como se ha constatado en repetidas ocasiones, la Ciencia produce resultados que con frecuencia desafían la intuición humana. Es uno de sus aspectos fascinantes. Como también lo es que muchos de estos inesperados resultados han propiciado cambios radicales en la forma de vida de los seres humanos. Es altamente probable, por no afirmar que inevitable, que la investigación realizada desde la Estación Espacial Internacional con instrumentación novedosa produzca resultados no esperados y contribuya de forma relevante al proceso de acopio de conocimiento científico-técnico en física fundamental y en otras disciplinas, en particular en el campo de la exploración espacial y del conocimiento del Universo.»

Más en este blog sobre la AMS-02: «El lanzamiento del AMS-02 se retrasa hasta el 29 de abril de 2011,» 17 abril 2011.

El último vuelo del transbordador espacial Discovery se retrasa hasta abril de 2011

La NASA programó el penúltimo vuelo del transbordador espacial Discovery para el 3 de noviembre de 2010, pero una fuga de gas (hidrógeno) pospuso el lanzamiento. El 3 de diciembre la NASA ha anunciado que el Discovery no será lanzado al menos hasta el 3 de febrero de 2011, por pequeños problemas técnicos en las reparaciones emprendidas y para realizar más pruebas sobre unas grietas que se observaron en los tanques. La histórica última misión del Discovery (llamada STS-134) no se producirá por tanto hasta como pronto el 1 de abril de 2011 (la misión STS-133 hasta el 3 de febrero de 2011). A los aficionados a la ciencia y a la física este retraso supone un nuevo contratiempo para el lanzamiento y puesta en marcha de la última pieza que le falta a la Estación Espacial Internacional, el Espectrómetro Magnético Alfa o AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) que está planificado para la última misión STS-134 del Discovery. Este experimento observará rayos cósmicos desde la ISS en busca de señales de la existencia de la materia oscura (de las partículas elementales que la constituyen, si es que las hay). Una pena, pues es otro retraso más para el AMS-02 que parece que está gafado. Aún así, lo importante es que en ciencia unos meses o unos años son un puro suspiro. Nos lo ha contado Adam Mann, «NASA delays space shuttle flight until 2011,» The Great Beyond, Dec. 03, 2010.