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.

La búsqueda de la materia oscura gracias a PAMELA

PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light Nuclei Astrophysics) es un satélite que  lleva 5 años orbitando la Tierra y recopilando datos sobre la antimateria (positrones (antielectrones) y antiprotones). Su objetivo primordial es identificar si esta antimateria tiene su origen en la desintegración (aniquilación) de la materia oscura del universo. También pretende estudiar las fuentes de antihelio (restos de antimateria primordial), ciertos rayos cósmicos pesados (núcleos ligeros y sus isótopos), la física solar, la modulación solar de los rayos cósmicos, así como la magnetosfera terrestre. PAMELA es capaz de detectar antiprotones con energías en el rango de 80 MeV a 180 GeV, positrones entre 100 MeV y 300 GeV, electrones hasta 600 GeV, protones hasta 1 TeV, núcleos ligeros (He/Be/C) hasta 200 GeV/n, y calorímetros para detectar fotones debidos a la desintegración electrón-positrón de hasta 2 TeV. PAMELA es ideal para identificar fuentes que producen múltiples tipos de rayos cósmicos. Se espera que PAMELA finalice su misión a finales de 2011 (mucho más allá de los 3 años para los que fue diseñada la misión). Tomando datos desde el 11 de julio de 2006, lleva unos 1700 días en los que ha acumulado 26 TBytes. Nos lo cuentan Mirko Boezio (INFN Trieste, Italia), On behalf of the PAMELA collaboration, «Cosmic-Ray Measurements with the PAMELA Space-Borne Experiment,» 7th  TeVPA, Stockholm, August 1st, 2011, y Emiliano Mocchiutti (INFN – Trieste), On behalf of the PAMELA collaboration, «PAMELA: Electrons and Positron Spectra Measurement in the Cosmic Rays,» 7th  TeVPA, Stockholm, August 1st, 2011.

PAMELA es famosa por haber observado un exceso de positrones en los rayos cósmicos, pero no de antiprotones (se han observado unos diez mil positrones, pero el exceso se observa en los de energía mayor de 20 GeV, solo unos 200). Hay explicaciones astrofísicas para dicho exceso: la presencia de púlsares jóvenes cercanos. Sin embargo, el único que ha sido observado es Geminga (PSR J0633+17), un púlsar invisible en ondas de radio identificado en el espectro visible como una estrella azul muy tenue de magnitud +25,5. Como no se conoce ningún otro púlsar de estas características, la explicación astrofísica ha sido puesto en duda por ciertos científicos que prefieren interpretar que la materia oscura es responsable de este exceso de positrones.

La hipótesis de que el exceso de positrones observado por PAMELA es debido a la desintegración de partículas de materia oscura encuentra el problema de que no ha sido observado ningún exceso de antiprotones. Por ejemplo, una partícula de materia oscura tipo WIMP con una masa de 150 GeV, que se desintegra de forma preferente en un par de bosones W, como podría ser un wino supersimétrico, explica muy bien el exceso de positrones, pero tiene el grave problema de la ausencia de antiprotones. Para que una partícula de este tipo explique ambos resultados se requiere que se masa sea del orden de 10 TeV, mucho más allá de lo razonable para explicar la materia oscura del universo.

Por supuesto, hay maneras de explicar las observaciones de PAMELA utilizando candidatos a materia oscura adecuados. Por ejemplo, una partícula WIMP con una masa 1 TeV que se desintegre preferentemente en pares de muones y/o electrones, como muestra la figura de arriba, podría explicar los resultados de forma estupenda. La desintegración tendría que estar mediada por una partícula intermedia. De manera similar se pueden proponer otras opciones, pero todas tienen algo de «antinatural,» lo que hace que los resultados de PAMELA sean paradójicos para mucha gente.

En mi opinión, no soy experto, la explicación que me parece más razonable es la explicación astrofísica. No soy el único, aunque los límites actuales aún son insuficientes para confirmar esta hipótesis; ver por ejemplo la charla de Jesús Zavala Franco (CITA National Fellow, University of Waterloo, Canada), «The cosmic X-ray and gamma-ray background from dark matter annihilation,» 7th  TeVPA, Stockholm, August, 2011 [ArXiv paper, Phys. Rev. D paper].

Habrá que esperar los primeros resultados de AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS) por el transbordador espacial Endeavour (misión STS-134). AMS-02 explora regiones de energía mucho más allá de las asequibles para PAMELA, lo que permitirá extender la región de energías en lsa que se ha observado el exceso de positrones. Más información en la charla de Stefan Schael (RWTH Aachen University), «Status of the AMS-02 Experiment on the ISS,»  7th  TeVPA, Stockholm, August 1st, 2011.

El exceso de positones observado con PAMELA sin relación con la materia oscura

La explicación más sencilla muchas veces es la correcta, pero hay que verla, alguien tiene que ser el primero que la vea. Los físicos del experimento PAMELA querían «ver» algo espectacular y encontraron un exceso en el flujo de positones de alta energía sin causa aparente. ¿Señal de la materia oscura? ¿Premio Nobel al canto? No, se siente, hay explicaciones convencionales mucho más sencillas para este exceso como la ofrecida por Pasquale Blasi, «The origin of the positron excess in cosmic rays,» Physical Review Letters 103: 051104, 31 July 2009 [ArXiv preprint], artículo ya citado 24 veces en ArXiv. El origen del exceso es la propia dinámica de las fuentes galácticas de rayos cósmicos, que los crean como productos secundarios que son acelerados dentro de la propia fuente. Basta ver la parte izquierda de la figura que abre esta entrada para sorprenderse por el excelente acuerdo entre las predicciones de esta teoría y los datos experimenatales de PAMELA. Más aún, también casa muy bien con el espectro observado en FERMI/LAT. Increíble, la explicación más sencilla apunta a ser la correcta.

En este blog ya hablamos de los resultados de PAMELA en varias ocasiones apuntando en la dirección de la posible existencia de materia oscura (a la espera de confirmación por FERMI/LAT). Lo siento, las noticias científicas son así. A veces uno se equivoca flagrantemente apuntando en la dirección equivocada. Así que la Mula Francis ha recibido un buen tirón de orejas (sobre todo por no ver la importancia del artículo de Blasi cuando lo colgó en ArXiv).

Os recuerdo: PAMELA encuentra pruebas de la existencia de materia oscura supersimétrica en la Vía Láctea (o WIMPS para todos) (14 Agosto, 2008), El secreto de la materia oscura, ¿será desvelado antes de que empiece a funcionar el LHC? (22 Noviembre, 2008), Sorpresas en el universo oscuro: Cada día explicar la materia oscura es más complicado (30 Marzo, 2009), Por qué el satélite Fermi no ha detectado materia oscura en nuestra galaxia (4 Mayo, 2009) y Más sobre el telescopio espacial de rayos gamma Fermi y la materia oscura del universo (5 Mayo, 2009).

PS: Encontrada la causa física del fenómeno, la búsqueda del objeto astrofísico responsable del mismo es mucho más fácil (aunque no trivial): ya hay candidato publicado en Physical Review Letters: «Exceso de positrones vinculado al púlsar Geminga,» Ciencia Kanija, 12 agosto, 2009, siendo el artículo técnico Hasan Yüksel, Matthew D. Kistler, Todor Stanev, «TeV Gamma Rays from Geminga and the Origin of the GeV Positron Excess,» Phys. Rev. Lett. 103: 051101, 2009. Visto en Menéame, como no. Abajo tenéis las figuras más relevantes de dicho artículo.

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.