El cambio de signo de la anisotropía de los rayos cósmicos alrededor de 100 TeV

Dibujo20130802 2D maps of relative intensity equatorial coordinates cosmic ray arrival distribution for IceCube and IceTop

IceCube, el telescopio de rayos cósmicos situado en el Polo Sur, ha recolectado 150 mil millones de sucesos producidos por muones con energía por encima de 10 TeV. Esta ingente cantidad de datos permite estudiar anisotropías al nivel de una parte en cien mil. El resultado es que la “polaridad” de la anisotropía dipolar cambia alrededor de los 100 TeV; IceTop confirma este cambio hasta los 2 PeV. Todo apunta a dos fuentes diferentes de muones, una para los de energía por debajo de 100 TeV y otra para los de energía por encima. Un misterio más a añadir a lista de problemas sin resolver que nos muestra el universo a altas energías. El artículo técnico es IceCube Collaboration, “Observation of TeV-PeV cosmic ray anisotropy with IceCube, IceTop and AMANDA,” arXiv:1308.0246, Subm. 1 Aug 2013.

El flujo de muones en Gran Sasso podría explicar la oscilación anual en el detector de materia oscura DAMA/LIBRA

La ciencia avanza sin pausa como una locomotora, arrasando resultados previos que no estén asentados de forma firme. “La modulación anual de la señal en los detectores directos de materia oscura” observada por DAMA/LIBRA y confirmada por CoGeNT, podría ser explicada gracias al flujo de muones de los rayos cósmicos que penetran en el Laboratorio de Gran Sasso, donde está situado DAMA/LIBRA. Tres experimentos que se encuentran allí, MACRO, LVD y Borexino, han encontrado una oscilación anual compatible (en fase) con la de DAMA/LIBRA en el flujo de muones capaces de atravesar la montaña que protege este laboratorio subterráneo. El resultado se ha observado tras analizar los datos de estos tres detectores en los últimos 20 años y confirma la oscilación a 5,2 sigmas de confianza estadística. Por ahora no se puede afirmar que este nuevo resultado explique la oscilación de DAMA/LIBRA sin necesidad de materia oscura, ya que varios estudios teóricos apoyan la hipótesis contraria (que los muones no podían explicar la señal observada). El nuevo estudio además ha encontrado una sorpresa, el flujo oscilatorio observado encontrado presenta una modulación entre 10 y 11 años en fase con el ciclo solar; nadie esperaba que el Sol pudiera producir un flujo de muones con la energía observada que fuera capaz de alcanzar un laboratorio subterráneo como Gran Sasso. Además, los datos de la temperatura de la estratosfera no muestran la existencia de esta oscilación, por lo que los autores del estudio se atreven a calificar como “la anomalía de los muones” a esta discrepancia. Este nuevo resultado dará mucho que hablar en los próximos meses. El artículo, para los interesados en los detalles técnicos del análisis, es Enrique Fernandez-Martinez, Rakhi Mahbubani, “The Gran Sasso muon puzzle,” arXiv:1204.5180.

Esta figura ilustra por qué la modulación de los muones no explica fuera de toda duda la modulación observada por DAMA/LIBRA y cómo aún se mantiene cierta tensión entre ambas modulaciones. La fase de la modulación de muones es de 177,4 ± 2,2 días (con respecto al 1 de enero de 1991) mientras que la de la modulación anual de DAMA/LIBRA es algo menor (de unos 140 días); cambiar el punto de referencia para la medida de la fase no altera esta discrepancia. Este resultado va en la línea de resultados previos basados en un menor número de datos sobre los muones. Aún así, es muy sugerente la existencia de ambas modulaciones en el mismo laboratorio (LNGS). Ahora es el turno de los físicos teóricos que tendrán que darle al coco para tratar de explicar cómo es posible que la modulación anual de los muones explique el resultado observado en los detectores de materia oscura de DAMA/LIBRA. La ciencia, como siempre, apasionante y repleta de sorpresas.

Más limpio que una patena: el evento más limpio observado en el experimento CMS del LHC en el CERN

Parece imposible observar un evento tan limpio en las colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. en el LHC del CERN. La colisión de 2 protones ha producido dos fotones que se han desintegrado en un par de muones y nada más. Una colisión protón-protón en la que sólo se observan dos muones. Alucinante. Un evento más limpio que una patena. Basta comparar dicho evento de libro con el siguiente (un evento típico de los más normalito). Aclaración: Para los acostumbrados a tildar las noticias de sensalionistas, aclaro que esta lo es en el siguiente sentido. Este es el evento más limpio que yo he visto en una charla que discuta resultados de las colisiones del LHC en el CERN. Seguro que los físicos que trabajan allí habrán visto otros eventos similares. Para mí este es “el evento más limpio [que yo he visto que se haya] observado en el experimento CMS del LHC en el CERN.” Por cierto, he visto esta figura en la charla de A. Vilela Pereira (CMS Collaboration), “Forward physics results from CMS,” LISHEP 2011 (XI International School on High Energy Physics), Rio de Janeiro, Brasil, 4-10 July 2011. Sobre este tipo de eventos pero en CDF del Fermilab te recomiendo la charla de Mike Albrow (Fermilab), “Observation of Exclusive γγ Production in CDF (and other exclusive states),” idem.

Para entender mejor el evento que abre esta entrada quizás haya que presentar algunos diagramas de Feynman. Este evento corresponde al diagrama más a la izquierda de los mostrados abajo. Básicamente se trata de un evento QED puro (basta la electrodinámica cuántica para explicarlo sin necesidad de recurrir a la cromodinámica cuántica). Este tipo de evento no es raro, pero no suele aparecer tan limpio (suele venir acompañado de un apilado (pile-up) de varios eventos). El experimento CMS (recuerda que CMS son las siglas de Compact Muon Solenoid) tiene detectores especiales para detectar muones y en dicha colaboración se realizan análisis muy precisos de la producción de muones. Muchos de estos eventos, sobre todo los más energéticos (que son las más interesantes cuando se busca física más allá del modelo estándar), van acompañados de un chorro hadrónico (diagrama de Feynman central) o de dos chorros (diagrama de Feynman de la derecha). Dichos eventos con chorros son mucho menos limpios, como es de esperar.

En los 40 /pb (inversos de picobarn) de colisiones a 7 TeV c.m.  analizadas en CMS durante 2010 se ha aplicado un corte en la masa (relativista) de los dos muones (la energía cinética que tienen en su centro de masas común) de 11,5 GeV (los eventos que presentan dos muones con menor energía han sido descartados del análisis). El evento más energético observado tiene una masa total de 77 GeV/c². Las dos figuras que se muestran abajo muestran el resultado del análisis (la cuenta estadística) del número de eventos de este tipo (círculos rellenos con barra de error) comparado con las predicciones teóricas de las simulaciones de Montecarlo del modelo estándar. En amarillo aparecen los eventos sin chorros hadrónicos, más numerosos cuando el momento transversal de los muones es más pequeño y en dos tonos de verde los eventos que involucran uno y dos chorros hadrónicos. También aparecen en rojo eventos más raros en los que un protón produce un bosón Z y el otro protón un fotón, que más tarde colisionan produciendo un par de muones (pp→Z/γ+pp→μμ+pp). El resultado experimental es que la sección eficaz de producción total de un par de muones es de 3,38 pb (como muestra la figura con márgenes de error), es decir, que en 40 /pb de datos se han observado 3,38 * 40 = 135 eventos de este tipo. ¿Cuántos se observarán en las colisiones de 2011? A día de hoy, CMS ha acumulado 1181,3 /pb de datos en 2011, es decir, se espera observar en dichos datos unos 3993 eventos de este tipo (unas 30 veces más eventos que los mostrados en la figura de abajo). ¿Cuántos de esos eventos serán tan limpios como el evento que abre esta entrada? No lo sé, pero seguramente serán muy pocos (aunque ya sabe, también se pueden limpiar los datos experimentales para que queden más bonitos para los libros de texto, para eso está Photoshop).

Ahora mismo el LHC sigue con una parada técnica. Se espera que este jueves se reanuden las colisiones. Durante la parada técnica de la semana pasada se observaron ciertos pequeños problemas que han requerido visitar el túnel y realizar pequeños arreglos. Nada grave. Tras un par de inyecciones para calentar motores, se volverá a trabajar con 1380 paquetes de protones separados por 50 ns, aunque sólo se harán colisionar 1331 paquetes en los puntos de colisión donde se encuentran CMS y ATLAS. A partir de ahí se tratará de lograr el fin de semana que los 1380 paquetes colisionen en ambos detectores. El futuro del LHC en lo que queda de año se discutirá en el Mini Chamonix del 15 de julio.