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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CDMS II observa tres nuevos eventos tipo WIMP candidatos a materia oscura

En diciembre de 2009, CDMS anunció a bombo y platillo la observación de dos eventos tipo WIMP con una masa de 100 GeV/c² con una certeza del 77%. Ahora, en diciembre de 2010, a la chita callando, el experimento CDMS II vuelve a ser noticia al publicar la observación de tres nuevos eventos tipo WIMP con un masa de unos 100 GeV/c² con una certeza del 89%. El experimento CDMS (Cryogenic Dark Matter Search), que se encuentra en el Laboratorio Subterráneo de la Mina de Sudán, en Minnesota, estudia la dispersión inelástica de la materia oscura (IDM por Inelastic Dark Matter). Una partícula (χ) de materia oscura tipo WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) se dispersa inelásticamente en un núcleo de un átomo (N) si la partícula WIMP pasa de su estado fundamental a un estado excitado tras la interacción (χ+N→χ*+N); la interacción elástica está fuertemente suprimida en las cinco torres de detectores de CDMS. La IDM produce un retroceso del núcleo (N) y CDMS II busca candidatos a WIMP que provoquen un retroceso con una energía entre 25 keV y 150 keV. Los tres eventos candidatos a WIMP que se han observado en las torres T4Z6, T4Z2 y T1Z2, tienen una energía de retroceso de 37’3 keV, 73’3 keV y 129’5 keV, respectivamente (en la figura que abre esta entrada aparecen los dos más energéticos). El último evento observado no se podría haber observado en CDMS el año pasado.  La probabilidad de que estos tres eventos sean espurios es de solo un 11%. Obviamente, no es un descubrimiento como para lanzar las campanas a vuelo; no obstante, quisiera recordar que el anuncio de diciembre de 2009 se hizo a bombo y platillo (y acabó publicado en Science). Este nuevo resultado de CDMS, creo que puedo afirmar, dará mucho que hablar en los próximos meses. Detalles técnicos en CDMS Collaboration, «Search for inelastic dark matter with the CDMS II experiment,» ArXiv, 22 Dec 2010.

Por cierto, alguno recordará mi entrada «qué pasó con los dos WIMP observados por CDMS en diciembre de 2009 (han sido descartados por XENON100 en mayo),» 5 julio 2010. Los tres nuevos eventos tipo WIMP de CDMS vuelven a poner en liza los dos anteriores. Habrá que estar al tanto de los nuevos resultados de XENON 100 y otros detectores de materia oscura.

Más sobre estos asuntos en este blog: «Rumore, rumore, … la materia oscura será desvelada el 28 de diciembre, digo el 18,» 10 diciembre 2009; «Última hora sobre la materia oscura: atentos a Jodi Cooley del CDMS el 17 de diciembre,» 11 diciembre 2009; «Jodi Cooley del CDMS: observados dos eventos tipo WIMP de 100 GeV con certeza al 77%,» 17 diciembre 2009; «XENON100 versus DAMA, guerra de cifras sobre la masa de las partículas WIMP de materia oscura,» 10 mayo 2010; y «Qué pasó con los dos WIMP observados por CDMS en diciembre de 2009 (han sido descartados por XENON100 en mayo),» 5 julio 2010.

El monopolo magnético y un inolvidable día de San Valentín para el físico español Blas Cabrera

En el LHC del CERN no sólo se busca a la partícula de Higgs, también se buscan otras partículas exóticas. El experimento MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC) busca partículas altamente ionizantes, como el monopolo magnético. El físico James L. Pinfold y su equipo busca repetir lo que le ocurrió a las 14:00 horas del 14 de febrero de 1982 al físico español Blas Cabrera en la Universidad de Stanford. Un monopolo magnético atravesó el detector criogénico superconductor que había puesto a punto tras tres duros años de trabajo. Hoy, casi 30 años más tarde, ningún otro monopolo magnético ha dado señales de su existencia. La mayoría de las extensiones del modelo estándar a alta energía son mucho más simétricas que el modelo estándar, por lo que predicen la versión más simétrica posible de las ecuaciones de Maxwell, que incluye la existencia de partículas elementales con un solo polo magnético. Esta simetría debe estar rota ya que todavía no se ha observado ningún monopolo magnético, por lo que, de existir, los monopolos magnéticos tienen que ser muy pesados (del orden de 1 TeV). Una entrada tan optimista como «Monopolos, de aquí a un año,» Tu Anciana Abuela, 26 de marzo de 2010, me ha recordado que hace tiempo que no hablamos de monopolos magnéticos en este blog. Permitidme algunos comentarios y que os recomiende un artículo sobre los físicos que buscan desesperadamente lo que quizás nunca se encuentre, Geoff Brumfiel, «Physics: The waiting game,» News Feature, Nature 429: 10-11, 6 May 2004.

En 1931, el genial físico teórico P.A.M. Dirac estudió el origen cuántico de la cuantización de la carga eléctrica y descubrió, para su sorpresa, que la versión cuántica de las ecuaciones de Maxwell predecía de forma natural la aparición de un carga magnética elemental o monopolo magnético. La carga magnética igual que la carga eléctrica está cuantizada y cumple la relación g = n ħ c/(2 e) = n gD, para n = 1, 2, …, donde gD = ħ c/(2e) = 68’5 e, es llamada unidad de carga magnética de Dirac. Si existe el monopolo magnético las ecuaciones de Maxwell serán más simétricas, pero no totalmente simétricas ya que e ≠ g. Sin embargo, a alta energía, e = g, en todas las extensiones del modelo estándar que predicen la existencia de monopolos magnéticos (como en ciertas teorías de gran unificación, GUT, teorías supersimétricas, SUSY, teorías de cuerdas, etc.). ¿Por qué no se observan a baja energía monopolos por doquier? Dirac predijo que el monopolo magnético debería ser una partícula elemental con gran masa (masa que ninguna teoría actual es capaza de predecir). Si el radio clásico del monopolo es igual al radio clásico del electrón, rM = g2/(mM c2) = re = e2/(me c2), obtenemos mM = g2 me/e2 ≈ 4700 n me = n 2’4 GeV/c2. Esta masa es relativamente grande pero con toda seguridad la masa de los monopolos magnéticos, de existir, es mucho más grande aún.

Según la página web de MoEDAL, los experimentos del LEP2 en el CERN excluyen un monopolo magnético con masa inferior a 120 GeV y los experimentos del Fermilab uno con una masa inferior a 850 GeV. Aunque según el Particle Data Group, el experimento L3 del LEP2 en el CERN excluyó un monopolo magnético con masa inferior a 510 GeV (95% C.L.) y DZero del Fermilab excluye un monopolo magnético de espín cero con masa inferior a 610 GeV, de espín un medio con masa inferior a 870 GeV, y con espín uno con masa inferior a 1580 GeV. La producción de un monopolo magnético en el LHC con colisiones a 7 TeV parece extremadamente difícil. Por ello yo no comparto el optimismo de Tu Anciana Abuela sobre la posibilidad de que MoEDAL encuentre monopolos magnéticos en los próximos dos años. Habrá que esperar como pronto a las colisiones a 14 TeV en el LHC previstas para 2013.

Para los físicos que se dedican a la búsqueda de los monopolos magnéticos, la búsueda es como una droga, como la búsqueda del Santo Grial. En palabras de Giorgio Gratta, compañero en Stanford de Cabrera, la búsqueda de los monopolos «es como una droga: te vuelves adicto y no puedes abandonarla.» A pesar de los reveses de financiación y algunas falsas alarmas ocasionales, muchos de esos físicos logran una carrera exitosa, aun cuando sus detectores no registren una sola partícula. Por ejemplo, Blas Cabrera publicó su descubrimiento en la prestigiosa revista Physical Review Letters, como único autor (Blas Cabrera, «First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles,» Phys. Rev. Lett. 48: 1378–1381, 17 May 1982; citado más de 250 veces). En el artículo Cabrera no afirma haber encontrado un monopolo. Sólo describe lo que observó su detector. Un descubrimiento problemático donde los haya. Su detector observó una sola vez y solamente una vez lo que la teoría predecía que se observaría si lo atravesaba un monopolo magnético. Llaman matagatos a quien mató una vez a un gato, pero en física no se llama descubridor a quien observa algo por primera y única vez. Hay que repetir la observación. El experimento de Cabrera nunca más observó un monopolo. Sus experimentos posteriores tampoco. Conforme pasan los años, hasta el mismo Cabrera reconoce que las posibilidades de que su primera observación fuera un monopolo disminuyen.

 «We never again saw an event like this one in any of the individual instruments. It seemed less and less likely that the one event we saw was a monopole.» Blas Cabrera.

¿Por qué el interés en buscar monopolos magnéticos? Porque surgen en la mayoría de las extensiones del modelo estándar a alta energía por una razón matemática (topológica) bastante general. Si a alta energía tenemos una teoría gauge con un grupo de simetría G que a baja energía está rota, con una vacío con menor simetría, sea el grupo cociente G/H, entonces existen soluciones no lineales de la teoría, llamadas solitones o defectos, cuando los grupos de homotopía fundamentales son no triviales, πn(G/H)≠0. Estos defectos son paredes de dominio (rizos o kinks) para n=0, vórtices (cuerdas) para n=1, y monopolos para n=2. Sabemos que el modelo estándar es una teoría «efectiva» y que debe haber una teoría más simétrica a mayor energía de la que se ha alcanzado hasta el momento en los aceleradores de partículas en la Tierra. Por ello, en la gran explosión (el big bang) tuvieron que generarse gran número de monopolos magnéticos y quizás uno de ellos atravesó el detector de Cabrera. Su experimento y otros similares permite acotar la densidad de monopolos primordiales remanentes tras la gran explosión, por eso su trabajo, aunque conduzca a resultados negativos, es muy importante para los físicos teóricos.

Los interesados en más información sobre el experimento MoEDAL disfrutarán con el siguiente vídeo explicativo.

A principios de los 1990, Cabrera cambió ligeramente de tema de investigación y se puso a buscar partículas de materia oscura. Su búsqueda criogénica de materia oscura (CDMS o Cryogenic Dark Matter Search) ha acabado con dos eventos candidatos a finales del año pasado (anuncio oficial y publicación en Science). Espero que la historia no se repita y dichos eventos sean confirmados en un futuro no muy lejano. En este sentido, os recomiendo el vídeo de la estupenda conferencia de Blas Cabrera, «Future of CDMS: SuperCDMS Soudan, SuperCDMS SNOLAB & GEODM DUSEL + iZIP Huge Detector Advance,» KITP, Dec 18, 2009, en el marco del «KITP Miniprogram: Direct, Indirect and Collider Signals of Dark Matter (December 7-18, 2009),» coordinado por Nima Arkani-Hamed, Douglas Finkbeiner, y Neal Weiner.

Por cierto, el padre de Blas, Nicolás Cabrera (1913-1989), que pasó muchos años exiliado en EEU.UU. durante la dictadura que asotó nuestro país, regresó a España y fundó en 1971 el departamento de ciencias físicas en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) donde impartió clases. Cabrera, padre, es considerado el gran impulsor de la física en España desde su vuelta del exilio. El Instituto Nicolás Cabrera, fundado en 1989 en la UAM, lleva su nombre como homenaje.

Jodi Cooley del CDMS: observados dos eventos tipo WIMP de 100 GeV con certeza al 77%

Todos estábamos pendientes de lo que pudiera contar Jodi Cooley, hoy a las 23:00 hora española, sobre los descubrimientos recientes de la colaboración CDMS Run II. Tras una introducción general orientada a los medios sobre la materia oscura, sobre el uso de «vacas» para modelar distribuciones de materia oscura, así como sobre el funcionamiento de los detectores de germanio utilizados, a las 23:35 Jodi anunció que se habían observado dos eventos cuya mejor explicación son sendas partículas de materia oscura tipo WIMP con una masa de unos 100 GeV (según el paper de 70 GeV). La evidencia es todavía pobre. Hay un probabilidad del 23% de que sean meras fluctuaciones del ruido de fondo (background), lo que equivale a un intervalo de confianza del 90%. Buenas noticias o malas, según se mire, pero buenas en cualquier caso para la nueva versión del CDMS el SuperCDMS. Habrá que esperar a que el preprint en ArXiv esté accesible esta noche, sobre las 2:00, para conocer los detalles técnicos.

PS (18 diciembre 2009, 00:20): La evidencia de 2 eventos tipo WIMP con una probabilidad del 23% nos da un intervalo de confianza menor de 2 sigma. Hay que recordar que un descubrimiento definitivo requiere del orden de 5 sigma. Una evidencia tan pobre como la observada apunta más a una fluctuación aleatoria (que hayan observado una partícula conocida) que a un descubrimiento. La charla ha tenido un revuelo mediático que quizás no merecía. Parece una charla de autopromoción del CDMS: nos quieren vender que SuperCDMS, que funcionará en 2010, podría detectar algo (ya que CDMS ha sido incapaz de lograrlo). Una pena… aunque yo ya me olía que así iba a ser.

PS (18 diciembre 2009): No encuentro el nuevo paper en ArXiv y parece que no soy el único torpe. ¿Lo habrán colgado? ¿Aparecerá mañana? Nota de Prensa «Latest Results in the Search for Dark Matter,» CDMS Press Office, Thursday, December 17, 2009. Un relato excelente en directo de lo ocurrido durante la conferencia de Jodi en JoAnne, «Dark Matter Detected, or Not? Live Blogging the Seminar,» Cosmic Variance, 17 Dec. 2009.

PS (18 diciembre 2009): Gracias a Anto, podemos comentar el preprint del artículo técnico. Como lo enviaron el 18 de diciembre aparecerá el 19 de diciembre en ArXiv (¡cosas de ArXiv y su sistema de editores!).

El experimento CDMS (Cryogenic Dark Matter Search experiment) en el Laboratorio Subterráneo de Soudan, Minnesota, EE.UU., está diseñado para detectar señales de partículas de materia oscura utilizando detectores de estado sólido, tanto de germanio como de silicio, enfriados a menos de 50 mK (milikelvin). La detección de partículas de tipo WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) sólo se puede realizar utilizando los detectores de germanio. Los detectores están agrupados por torres, T1-T5, y por filas dentro de cada torre, Z1-Z6 (un total de 30 detectores). El choque de la partícula WIMP proveniente del halo de materia oscura que envuelve nuestra galaxia con un núcleo (con un nucleón, protón o neutrón del núcleo) de un átomo germanio hace vibrar la estructura cristalina del material del detector, lo que produce fonones (vibraciones cuánticas) con una energía de decenas de keV (kiloelectrónvoltio). Los detectores de silicio tienen muy poca sensibilidad a la colisión de partículas tipo WIMP con núcleos.

Los datos analizados se han obtenido entre julio de 2007 y septiembre de 2008. Han observado dos eventos (T1Z5 y T3Z4) utilizando los detectores de germanio cuyo análisis indica que podrían corresponder a la detección de sendas partículas WIMP. Han sido detectores en torres diferentes y con una separación de varios meses. La probabilidad de que dichos eventos hayan sido producidos por partículas de materia ordinaria es alta, del orden del 23%. Lo que ni rechaza ni confirma que realmente se haya realizado un descubrimiento («the results of this analysis cannot be interpreted as significant evidence for WIMP interactions, but we cannot reject either event as signal«). 

La figura de arriba muestra los dos eventos. El rectángulo rojo de la figura de la derecha indica la región (ionización normalizada respecto a tiempo normalizado) donde se esperaría encontrar partículas WIMP con una masa del orden de 60 GeV. Como vemos, ambos eventos se encuentran en dicha región aunque en la parte más a la izquierda de la misma. Para estimar la probabilidad de que dichos eventos sean producto de partículas de materia ordinaria se han utilizado simulaciones de Montecarlo con el programa Geant4.

Lo más importante del descubrimiento es que permite obtener nuevos límites inferiores para las masas de las partículas WIMP (gracias al resto de los eventos estudiados) y que si en un futuro se descubren las WIMP y casan bien con los dos eventos encontrados quizás este anuncio pase a la historia de la física de partículas elementales. Pero no debemos olvidar que es muy difícil hacer física de partículas elementales con sólo dos eventos. Se requieren cientos o incluso miles para tener certeza de que lo que se está observando realmente es lo que uno interpreta. La interpretación «correcta» es clave en este tipo de descubrimientos experimentales.

Finalmente, comentaros que el artículo técnico se lee bastante bien incluso para cualquier estudiante de física o ingeniería, así que os recomiendo su lectura, Z. Ahmed et al. (CDMS Collaboration), «Results from the Final Exposure of the CDMS II Experiment,» ArXiv, 19 Dec. 2009 [disponible en ArXiv desde el lunes 21 dic. 2009].

PS (18 diciembre 2009): Seguramente esta noticia acabará siendo portada en Menéame: ¿Sé ha encontrado la materia oscura? [eng].

PS (18 diciembre 2009): Ya es portada en Menéame. Por cierto, Peter Woit tiene una entrada en su blog que hay que leer, «Has Dark Matter Finally Been Detected? No,» Not Even Wrong, December 17th, 2009. Nos recuerda que el análisis que ha detectado los dos eventos candidatos se basa en tomar un parámetro con un valor 0,6 pero dicho parámetro también podría tomar otros valores, como 0,4 en cuyo caso la caja roja en la parte izquierda de la figura de arriba se mueve hacia la derecha y los dos eventos tipo WIMP se salen de la caja y dejan de ser eventos tipo WIMP. Literalmente en el paper “Reducing the revised expected surface-event background to 0.4 events would remove both candidates.” There really literally is no signal here.» Para Peter Woit es una prueba clara de que se ha observado una fluctuación aleatoria y no una nueva partícula. Sólo el futuro decidirá quien tiene razón.

PS (18 diciembre 2009): Jodi Cooley hasta en la sopa… se conecta uno a Internet, busca y la encuentra. Los interesados en el ver el vídeo de su charla con una introducción de Blas Cabrera pueden recurrir a KITP: «New Results from the CDMS II Experiment,» Jodi Cooley, SMU (remotely from SLAC), Blas Cabrera (Stanford & KITP), Dec. 17, 2009, que incluye vídeo (Flash, QuickTime, RealMedia) y transparencias (PDF). Además es interesante la charla del propio Blas Cabrera «Future of CDMS: SuperCDMS Soudan, SuperCDMS SNOLAB & GEODM DUSEL + iZIP Huge Detector Advance,» Dec. 18, 2009 [incluye vídeo, pero no trasnparencias]. Ambas enmarcadas en el «KITP Miniprogram: Direct, Indirect and Collider Signals of Dark Matter (December 7-18, 2009),» coordinado por Nima Arkani-Hamed, Douglas Finkbeiner, Neal Weiner.