Supersimetría, materia oscura y neutralinos

Me ha sorprendido encontrar en una entrada del Kanijo sobre neutralinos en el LHC, cuyas traducciones deben ser una lectura obligada para los buenos aficionados a la divulgación científica, la misma figura que yo he utilizado para ilustrar una entrada sobre la supersimetría. Yo confieso que la extraje de Symmetry, la revista que sustituyó en 2004 a FermiNews, la revista de noticias del Fermilab, en Chicago. La extraje de uno de los artículos de la sección “Explain in 60 seconds” (explícalo en un minuto). Quizás Kanijo la extrajo del mismo lugar. Quien sabe, pero todo esto me ha hecho pensar en los neutralinos. Hablaremos un poco de ellos y pondré otra ilustración “copiada” de dicha revista (la que ilustra la entrada “dark matter“).

Quizás el candidato más razonable para dar cuenta de la Materia Oscura en el Universo es la partícula supersimétrica estable más ligera LSP (lightest supersymmetric particle), que corresponde a materia oscura “fría” formada por partículas de tipo WIMP (weakly interacting particle), hipóteticas partículas cuya interacción con el resto de las partículas es muy débil, comparable a la interacción del neutrino; todavía no ha sido detectada ninguna WIMP, pero lo más razonable es que corresponda a una partícula supersimétrica, SUSY WIMP.

La supersimetría no es una simetría exacta de la Naturaleza (está “rota”) ya que no se la observa a baja energía. Todas las superpartículas tienen grandes masas que “creemos” se han generado en la ruptura de esta simetría que se produjo en los primeros momentos de la Gran Explosión (big bang). Como no hemos observado ninguna partícula supersimétrica en la actualidad a baja energía, hemos de suponer que son inestables y que en las primeras fases del big bang se desintegraron a pares (superpartícula-antisuperpartícula, por ejemplo) produciendo partículas supersimétricas de menor masa en reposo. La única partícula que puede haber sobrevivido a dicho proceso es la más ligera, que no puede desintegrarse en partículas supersimétricas de menor masa (sin violar la simetría de la supersimetría, la llamada paridad R, que evita que el protón se desintegre demasiado rápido y que en la actualidad existan protones). Las partículas LSP remanentes de este proceso, reliquias del big bang, serían entonces un buen candidato a materia oscura en el universo.

¿Qué superpartícula (spartícula) es el mejor candidato a partícula más ligera (LSP) ? Antes de 1984 se habían propuesto el fotino (sfotón), el gravitino (sgravitón), el sneutrino y el selectrón, pero el artículo de Ellis et al. “Supersymmetric relics from the big bang,” Nuclear Physics B, 238:453-476, 1984, mostró que la LSP más razonable era el neutralino, una superposición lineal del fotino y del zino (sbosón Z) junto a dos higgsinos (sbosones de Higgs) neutros. Hay cuatro posibles neutralinos según sea su composición, que depende de una matriz 4×4 a determinar experimentalmente siendo sus autovectores representantes de cada uno de los posibles estados masivos, la proporción de sus constituyentes (ver por ejemplo PDG SUSY página 15). El neutralino de menor masa es la partícula LSP responsable de la materia oscura (según los datos cosmológicos actuales) si su masa en reposo se encuentra en 90 y 400 GeV; según los aceleradores actuales, a la espera de los futuros resultados del LHC, el límite inferior de la masa del LSP es de 46 GeV con un 95 % CL (ver el valor en negrita en la primera página de PDG SUSY). Más sobre SUSY y LSP del PDG.

Hay una cuestión interesante que debemos indicar, los neutralinos (o al menos el más ligero) podrían tener masa nula o una masa extremadamente pequeña (como los neutrinos, una masa menor de 0.1 GeV), ver por ejemplo Stefano Profumo, “Hunting the lightest lightest neutralinos,” Phys. Rev. D 78, 023507, 2008 , ArXiv preprint, con lo que la partícula LSP candidato a materia oscura fría, de ser un neutralino, sería el que tenga una masa más pequeña del orden de los 100 GeV. En este sentido es interesante el artículo de John Ellis, “Sneutrino NLSP Scenarios in the NUHM with Gravitino Dark Matter,” ArXiv preprint, 23 July 2008 , que propone como candidato la siguiente partícula más ligera (NLSP, next-to-lightest supersymmetric particle).

El último párrafo de las conclusiones de este último artículo merece ser repetido aquí (traducido y abreviado). “El estudio de la escala de energías de los TeV con el LHC nos descubrirá física desconocida (‘unknown’). La supersimetría se considera muchas veces como una “desconocida conocida” (‘known unknown’, es decir, “una desconocida familiar”), en el sentido de que aunque no sabemos si existe, creemos que sabemos cómo será si existe. John Ellis nos recuerda que la supersimetría podría ser una “desconocida desconocida” (‘unknown unknown’, es decir, “una desconocida de verdad”), en el sentido de que no sólo no sabemos si existe, sino que tampoco sabemos cómo podría ser. Hay muchas posibilidades, especialmente en el sector que involucra los sgravitinos.” Yo os añado, recurriremos al LHC para aclararnos al respecto.

PAMELA encuentra pruebas de la existencia de materia oscura supersimétrica en la Vía Láctea (o WIMPS para todos)

Hoy se cumplen los 790 días de la misión espacial PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics), misión conjunta italiana-rusa-alemana-sueca. Uno de sus objetivos, estudiar la materia oscura empieza a dar sus primeros éxitos. Han encontrado un exceso de antielectrones (positones) en nuestra galaxia, como se publica en Geoff Brumfiel, “Physicists await dark-matter confirmation. PAMELA mission offers tantalizing hint of success,” News, Nature, 454:808-809, 13 August 2008 .Este exceso de positones no es fácil de explicar, siendo la explicación más razonable que su origen es la desintegración de WIMPS (weakly interacting massive particles). En concreto la desintegración del neutralino, una partícula supersimétrica de tipo fermión de Majorana, cuya desintegración conduce a la producción por igual de partículas y antipartículas, conduciendo a la observación de un exceso de antipartículas respecto al fondo esperado si no se diera esta desintegración. Y eso es lo que han observado, un exceso de antielectrones. ¿Es la primera observación de la supersimetría? Si lo es, sin lugar a dudas, es uno de los grandes descubrimientos astrofísicos del año.

El investigador principal de la misión PAMELA, Piergiorgio Picozza, de la Universidad de Roma Tor Vergata, “ocultó” los resultados encontrados hasta tener la aceptación del artículo en los que se publicarán en buzón (si en unos años se confirma que la materia oscura en nuestra galaxia son WIMPS, Picozza es “fuerte” candidato al Nobel de Física por este descubrimiento). La identificación de positones ultrarrápidos son extremedamente difíciles, pero los datos son indiscutibles. Los especialistas en materia oscura estaban esperando una señal como la que se ha encontrado desde hace muchos años. ¿Es la materia oscura la única explicación posible? Por ahora, es la explicación más simple y la más razonable. Los físicos no han desarrollado respuestas alternativas a este fenómeno porque pocos esperaban que fuera observado experimentalmente (podría justificarse por la emisión de estrellas de neutrones, púlsares y estrellas binarias de rayos X capaces de emitir positones de alta energía, pero estas fuentes deberían encontrarse en nuestra propia galaxia).

Este resultado no viene sólo. En abril de este año, otro grupo italiano, los científicos del experimento DAMA/LIBRA (Dark Matter/Large Sodium Iodide Bulk for Rare Processes) bajo la montaña italiana de Gran Sasso, proclamaron que también habían observado la materia oscura, Geoff Brumfiel, “Italian group claims to see dark matter – again. Gran Sasso detector picks up unusual signal,” News, Nature, 452:918 , 23 April 2008 y Geoff Brumfiel, “Physicists see the dark? Italian team says elusive particles spotted in underground detector,” Online News, Nature, 16 April 2008 . De hecho, ya habían observado una señal similar en septiembre de 2007.

Desafortunadamente para los investigadores de DAMA, el rango de energía para las WIMPS que ellos proclamaban haber encontrado entra en contradicción con el rango observado por PAMELA (también estaba en contradicción con los resultados previos del experimento americano Cryogenic Dark Matter Search II ).

En resumen, ¿realmente la materia oscura en nuestra galaxia está formada por WIMPS? La única manera de que no haya dudas es que el LHC del CERN encuentre la supersimetría (premio Nobel en un año), es decir, que encuentre las WIMPS (posiblemente la partícula llamada neutralino). En mi opinión, la SUSY será encontrada “con toda seguridad.” Enhorabuena a los investigadores de PAMELA por su gran trabajo.