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

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.

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

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.

Nuevos resultados de PAMELA sobre el exceso de positrones en los rayos cósmicos

El experimento PAMELA, instalado en un satélite, ha medido el flujo de positrones en los rayos cósmicos con energía de hasta 300 GeV. Durante el mínimo del último ciclo solar entre julio de 2006 y diciembre de 2009 se han observado 24.500 positrones, muchos más de los esperados. Este exceso apunta a una fuente astrofísica (quizás galáctica) que aún se desconoce. ¿Será la materia oscura? Por ahora nadie lo sabe, pero todo apunta a otra fuente exótica. El exceso también ha sido observado por AMS-02, en la Estación Espacial Internacional, cuyos datos tienen menor error pero casi coinciden con los nuevos datos publicados por PAMELA. ¿Qué será esa fuente exótica de positrones? Quizás habrá que esperar al telescopio espacial James Webb para descubrir la fuente galáctica de tipo astrofísico responsable de este exceso de positrones. El nuevo artículo técnico es PAMELA Collaboration, «The cosmic-ray positron energy spectrum measured by PAMELA,» arXiv:1308.0133, Subm. 1 Aug 2013.

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

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.

El modelo estándar mínimo con neutrinos masivos (nuMSM)

Sabemos que los neutrinos tienen masa. Los neutrinos pueden ser partículas de Dirac, de Majorana o una mezcla de ambos tipos. La manera más sencilla de extender el modelo estándar (SM) para tener en cuenta esta última posibilidad se denomina modelo estándar mínimo con neutrinos (nuMSM). Esta teoría implica la existencia de neutrinos estériles, que si fueran ligeros (de unos 10 KeV de masa) podrían ser candidatos a materia oscura y resolver la mayoría de los problemas actuales de la física de partículas. El modelo nuMSMS es estable incluso con un Higgs a 125 GeV y podría ser válido hasta la escala de energías de Planck; además, implica que el LHC no encontrará nueva física, ni se observarán desviaciones respecto al modelo cosmológico ΛCDM. En relación a la gravedad, se trata de una teoría asintóticamente segura («asymptotically safe»). Nos lo han contado Oleg Ruchayskiy, «Cosmology and Particle Physics after Higgs,» EPS HEP 2013, July 19, 2013 [slides], y Oliviero Cremonesi, «Neutrino masses,» EPS HEP 2013, July 23, 2013 [slides]. Más información técnica detallada en K. N. Abazajian et al., «Light Sterile Neutrinos: A White Paper,» arXiv:1204.5379, 18 Apr 2012.

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

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.

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.

La densidad de la materia oscura en los cúmulos galácticos

La medida de la densidad de la materia oscura en 50 cúmulos galácticos, utilizando la técnica de lentes gravitacionales débiles, ha permitido confirmar las predicciones del modelo de materia oscura fría (CDM por Cold Dark Matter), en concreto, del modelo de Navarro-Frenk-White. Un equipo internacional de astrónomos de Taiwán, Gran Bretaña y Japón han usado la Suprime-Cam del Telescopio Subaru, en el marco del proyecto LoCuSS (Local Cluster Substructure Survey), para medir la distribución de materia oscura en los 50 cúmulos galácticos más masivos. Cada uno tiene una distribución de galaxias muy dispar, pero se pueden combinar todos para dar lugar a un «cúmulo galáctico efectivo» cuya densidad de materia oscura sigue a la perfección la distribución gaussiana predicha por la teoría CDM; de hecho, este perfil predicho para la densidad de materia oscura en función de la distancia radial al centro de masas es diferente en cúmulos galácticos y galaxias. La nueva medida confirma esta diferencia. El artículo técnico es Nobuhiro Okabe et al., «LoCuSS: The Mass Density Profile of Massive Galaxy Clusters at z=0.2,» The Astrophysical Journal Letters 769: L35, Jun 2013 [arXiv:1302.2728]; el modelo teórico es de Julio F. Navarro, Carlos S. Frenk, Simon D.M. White, «A Universal Density Profile from Hierarchical Clustering,» Astrophys. J. 490: 493-508, 1997 [arXiv:astro-ph/9611107]. Más información divulgativa en «Cosmic Giants Shed New Light on Dark Matter,» Subaru Telescope, Jun 12, 2013.

Consecuencias astrofísicas de la materia oscura ligera

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].

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

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].

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.