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

Dibujo20131030 lux 90 per cent confidence limit on spin-independent elastic wimp-nucleon cross section

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.

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

Dibujo20130415 cdms-ii trhee candidates to dark matter particle

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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Los últimos resultados de XENON100 sobre la búsqueda directa de la materia oscura

El experimento de búsqueda directa de la materia oscura XENON100, situado en el Laboratorio Nacional Gran Sasso (Italia), ha publicado un nuevo artículo con el análisis de los datos que ha recopilado en sus últimos 13 meses de funcionamiento (224,56 días de toma de datos). No ha encontrado candidatos firmes a partículas WIMP (partículas masivas que interaccionan débilmente), los candidatos más firmes para explicar la materia oscura. Se ha mejorado la sensibilidad en un factor de 3,5 respecto a los resultados publicados en 2011. Los nuevos resultados aparecen en la charla de Elena Aprile, «New Results from the XENON100 Experiment,» DarkAttack, Ascona, July 18, 2012. Un artículo con los resultados del año pasado, para comparar, es E. Aprile et al., «Analysis of the XENON100 Dark Matter Search Data,» arXiv:1207.3458, Subm. 14 July.

Hay dos eventos candidatos, cuando se esperaba un fondo de 1,0 ± 0,2 eventos debidos a gammas y neutrones, por lo que no se puede descartar que sean eventos espurios debidos al ruido de fondo.

Os recuerdo que Xenon100 trata de estudiar la interacción entre partículas de materia oscura tipo WIMP (Weakly Interacting Massive particles) del halo galáctico que interaccionan de forma elástica con núcleos de xenón en una cámara de líquido ultrapuro. El flujo esperado de WIMPs del halo galáctico estimado por los modelos teóricos de materia oscura indica que deberían observarse eventos entre estas partículas y los núcleos de xenón (A~131).

La ventaja del xenón es que es barato (unos 1000 dólares por kilogramo), por lo que se puede llegar a fabricar detectores en hasta una tonelada (la construcción de XENON1T ya ha sido aprobada y empezará este año). XENON100 se encuentra en el Laboratorio Nacional subterráneo de Gran Sasso (junto a OPERA, ICARUS y muchas otras instalaciones).

PS (22 julio 2012): Recomiendo la lectura del artículo de Sean Carroll, «Dark Matter Still Hiding,» Cosmic Variance, July 20th, 2012.

El experimento COUPP-4 observa 20 eventos candidatos a partículas WIMP con una energía de retroceso de unos 13 keV

El experimento COUPP-4 (Chicagoland Observatory for Underground Particle Physics), situado en el laboratorio subterráneo SNOLAB, ha observado 20 eventos tipo partícula WIMP de materia oscura entre septiembre de 2010 y agosto de 2011. En concreto, la energía de retroceso medida para estos eventos es la siguiente: 8 eventos con 8 keV, 6 eventos con 11 keV, y 8 eventos con 16 keV. Todavía es pronto para saber lo que significan estos eventos, pues el ruido de fondo en este experimento todavía no se conoce todo lo bien que gustaría, pero son resultados muy prometedores. El artículo técnico indican que estos eventos son compatibles con partículas WIMP del halo galáctico con una masa mayor de unos 20 GeV. Los resultados de COUPP-60, cuya toma de datos empezará en unos meses, seguro que ofrecerán nuevos indicios sobre partículas WIMP en la escala de los O(10) keV. COUPP-500 se construirá entre 2014 y 2015, empezando a tomar datos en 2016. Nos lo cuenta Russell Neilson (for COUPP, Univ. Chicago), «COUPP: Searching for Dark Matter with Bubble Chambers,» LHC, Particle Physics, and the Cosmos, July 13, 2012 [slides]. Recomiendo el artículo técnico de E. Behnke et al., «First Dark Matter Search Results from a 4-kg CF3I Bubble Chamber Operated in a Deep Underground Site,» arXiv:1204.3094, Submitted on 13 Apr 2012.

En las cámaras de burbujas se utiliza un fluido sobrecalentado (en COUPP se usa CF3I) en el que el paso de una partícula provoca la producción de protoburbujas que se amplifican y dejan una traza visible. Utilizando una cámara de burbujas de solo 4 kg las incertidumbres en el ruido de fondo (background) son grandes y los resultados son poco decisivos. Se ha reinstalado COUPP-4 en mayo de 2012 con un nuevo sistema de sensores piezoacústicos y con un líquido mucho más puro que permitirán controlar mejor el ruido de fondo. Habrá que esperar a sus resultados dentro de unos meses.

Por ahora, los resultados más importantes de COUPP son los límites de exclusión tanto para partículas dependientes del espín, como para las independientes del mismo, que ya se están acercando a la zona interesante (resultados que pueden afectar a predicciones de teorías supersimétricas, como cMSSM). Abajo tenéis los resultados que se esperan en COUPP-500 para alrededor de 2017. Sin lugar a dudas, la década de los 2010, que ya es la década del Higgs, también será la década de la materia oscura.

Las estrellas de materia oscura primordiales

El 95% de la masa de las galaxias y de los cúmulos galácticos es materia oscura. No se sabe lo que es, pero podrían ser partículas tipo WIMP con una masa de unos 100 GeV. Las mejores estimaciones de su posible tasa de aniquilación indican que las primeras estrellas del universo, que nacieron en los halos de materia oscura, debían tener una gran cantidad de materia oscura en su interior. El combustible de las primeras estrellas podría haber sido la aniquilación de esta materia oscura. Estas primeras estrellas se denominan estrellas oscuras. Si existieron agujeros negros primordiales, podrían haber sido atraídos hacia el centro de estas estrellas, dando lugar a la aparición de los primeros agujeros negros astrofísicos, que a su vez darían lugar a los superagujeros negros que se encuentran en el centro de las galaxias de materia ordinaria que observamos hoy en día. Estas ideas, que pueden parecer descabelladas, fueron propuestas por D. Spolyar, K. Freese, P. Gondolo, «Dark matter and the first stars: a new phase of stellar evolution,» Phys. Rev. Lett. 100: 051101, 2008 [ArXiv preprint], y Cosimo Bambi, Douglas Spolyar, Alexander D. Dolgov, Katherine Freese, Marta Volonteri, «Implications of primordial black holes on the first stars and the origin of the super–massive black holes,» Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 399: 1347-1356, 2009 [ArXiv preprint].

Las WIMPs (Weakly-Interacting Massive Particles) son uno de los candidatos más prometedores para la materia oscura. Si las WIMPs son partículas de Majorana (iguales a sus antipartículas) podrían autoaniquilarse con una sección transversal de 3 × 10−26 cm3/s, valor compatible con la abundancia de materia oscura fría observada en la actualidad. Si estas WIMPs, de alguna manera, llegaron al núcleo de las primeras estrellas, el resultado de su aniquilación podrían haber cambiado bastante las propiedades de estas estrellas. ¿Cómo podrían haber llegado hasta allí? Hay dos mecanismos razonables que ilustra en forma de esquema la figura que abre esta entrada (fuente en ArXiv). Por un lado la contracción gravitatoria de una nube de materia primordial que contendrían tanto materia bariónica como materia oscura. Por otro lado, la dispersión de las WIMPs con los núcleos de la materia bariónica de la estrella, les haría perder energía cinética y acabar atrapadas por la gravedad de la estrella. Por tanto, las estrellas oscuras tendrían materia oscura solo en su núcleo. El efecto de esta materia oscura es importante, pues sería una fuente adicional de calor (energía) para sostener la estrella contra la gravedad que permitiría que la masa de la estrella pudiera crecer mucho más que en su ausencia. Aunque los cálculos son difíciles, se estima que podrían haber nacido estrellas oscuras supermasivas con una masa de varios millones de veces la del Sol. Para muchos investigadores estos cálculos son aún muy especulativos.

La observación de estas estrellas oscuras primordiales es imposible, salvo que hubieran podido alcanzar masas enormes. Los estudios teóricos afirman que podrían haber crecido hasta alcanzar masas de 10 millones de veces la masa del Sol (el límite superior depende de detalles del modelo). Estas superestrellas oscuras podrían ser observadas mediante el Telescopio Espacial James Webb (JWST) si su masa está entre 10 mil y 10 millones de veces la del Sol y su corrimiento al rojo está entre z=10 y z=15. Las observaciones con el telescopio Hubble y los grandes telescopios terrestres solo alcanzan a verlas hasta z=10 y como no las han encontrado aún, descartan su existencia con un corrimiento al rojo de hasta z = 10 (y masas mayores de 10 mil veces la del Sol). Si existieron estas estrellas oscuras, tuvieron que tener una vida muy corta que finalizó antes de alcanzar z=10. Estrellas oscuras con menor masa (incluso del orden de 1000 veces la del Sol) no pueden ser descartadas por los telescopios actuales ni por el futuro JWST. Nos lo contaron Erik Zackrisson et al., «Observational constraints on supermassive dark stars,» MNRAS 407: L74, 2010 [ArXiv preprint].

Hay otra vía para la observación de estrellas oscuras, o al menos de la presencia de materia oscura en el centro de las estrellas convencionales. El telescopio Fermi de rayos X, e incluso PAMELA o HESS, podrían observar los rayos X producidos por la aniquilación de la materia oscura en el núcleo de una estrella. Los flujos de rayos gamma extragalácticos de fondo se multiplicarían por uno o incluso dos órdenes de magnitud de existir las estrellas oscuras, según los modelos numéricos (el valor exacto del incremento depende del modelo y de la masa de la partícula de materia oscura considerada). Como no ha sido observada dicha amplificación, los resultados experimentales de Fermi/LAT descartan la presencia de las estrellas oscuras en la actualidad e imponen límites muy restrictivos a su posible presencia entre las primeras estrellas en la época oscura del universo. Todo apunta a la imposibilidad de la formación de estrellas oscuras en el universo temprano. Nos lo contaron Qiang Yuan, Bin Yue, Bing Zhang, Xuelei Chen, «Constraint on dark matter annihilation with dark star formation using Fermi extragalactic diffuse gamma-ray background data,» JCAP 04: 020, 2011 (ArXiv preprint), y Pearl Sandick, Juerg Diemand, Katherine Freese, Douglas Spolyar, «Black Holes in our Galactic Halo: Compatibility with FGST and PAMELA Data and Constraints on the First Stars,» JCAP 1101: 018, 2011 (ArXiv preprint). Ver también Douglas Spolyar, «Fermi on DM Spikes,» TeV Particle Astrophysis 2011 [por cierto, de este presentación he sacado la idea de la figura que abre esta entrada].

Astrofísicos portugueses han propuesto una tercera vía para detectar la existencia de estrellas oscuras, el cambio en la luminosidad esperada para los cúmulos estelares debido a la presencia de estrellas oscuras. Más aún, la proponen como explicación de la llamada «paradoja de la juventud,» la presencia de estrellas más jóvenes de lo esperado en el centro de la Vía Láctea (la fuerza de marea del agujero negro central no debería permitir su presencia). Las explicaciones existentes para esta paradoja dicen que estas estrellas se formaron en un cúmulo estelar masivo fuera del centro galáctico para luego llegar, ya formadas, donde están actualmente. Los astrofísicos portugueses proponen que la edad de los cúmulos estelares envueltos en grandes cantidades de materia oscura estaría subestimada debido a la presencia de las estrellas oscuras. Esta reciente propuesta teórica todavía no ha sido estudiada de forma experimental. Para los interesados en los detalles el artículo técnico es Jordi Casanellas, Ilídio Lopes, «Signatures of dark matter burning in nuclear star clusters,» ApJ 733: L51, 2011 (ArXiv preprint).

En resumen, las estrellas oscuras, tanto si solo existieron en la edad oscura del universo, como si aún siguen existiendo, son uno de los objetos astrofísicos más interesantes salidos de la mente de los astrofísicos teóricos. Hay un simulador de código abierto de la formación y evolución de las estrellas oscuras llamado DarkStars que permite que cualquiera experimente con las propiedades de estos fascinantes objetos (más información en Pat Scott, Joakim Edsjö, Malcolm Fairbairn, «The DarkStars code: a publicly available dark stellar evolution package,» ArXiv, 16 Apr 2009).

El experimento Xenon100 no ha encontrado evidencia de la materia oscura

Malas noticias. El resultado más esperado sobre la materia oscura en la primavera de 2011 es negativo, lo que ha decepcionado a algunos y habrá alegrado a otros. El experimento XENON100 del Laboratorio Nacional de Gran Sasso, Italia, que realiza una búsqueda directa de la materia oscura, ha publicado los resultados de sus primeros 100’9 días de búsqueda (entre enero y junio de 2010). No se ha encontrado la materia oscura aunque se han observado tres eventos candidatos, cuando se esperaba encontrar sólo dos (el fondo es de 1’8 ± 0’6 eventos). No todo son malas noticias. XENON100 ha determinado los límites más restrictivos hasta el momento para las propiedades de la materia oscura (que descartan parte del espacio de parámetros que podrá explorar el LHC del CERN). La interacción entre las partículas de materia oscura y la materia ordinaria (bariónica) es mucho menor de lo esperado por los teóricos. Como muestra la figura de arriba, la sección eficaz de colisión de una partícula WIMP con una masa de 50 GeV/c² y un nucleón (protón o neutrón) es menor de 7’0 × 10–45 cm² al 90% de confianza. El límite no es tan estricto para masas mayores de 100 GeV/c² por la presencia de los tres eventos candidatos. Aún así, las cosas se ponen duras para la búsqueda de la materia oscura. Para los interesados en los detalles técnicos el artículo es E. Aprile et al. (XENON100 Collaboration), «Dark Matter Results from 100 Live Days of XENON100 Data,» ArXiv, 13 Apr 2011.

Las partículas WIMP (partícula masivas que interactúan débilmente o Weakly Interacting Massive Particles) son el candidato más firme a la materia oscura del universo según la mayoría de los teóricos. La búsqueda directa de las WIMP consiste en detectar la colisión de una de estas partículas con el núcleo de un átomo pesado que tenga una masa similar a la esperada para dicha partícula. Los experimentos más prometedores utilizan núcleos de xenón, silicio o germanio. Las búsquedas publicadas por CDMS, EDELWEISS y XENON10 fueron infructuosas, por lo que la esperanza se ha puesto en sus nuevas versiones CDMS-II, EDELWEISS-II y XENON100. Este último, XENON100, utiliza 161 kg de xenón líquido ultrapuro. La nueva búsqueda ha sido realizada entre el 13 de enero y el 8 de junio de 2010, aunque se han descartado algunos días, totalizando 100’9 días. El análisis de los resultados ha sido más complicado de lo esperado (por eso se publica en abril de 2011)y ha resultado en tres eventos candidatos en la región esperada para la detección de una partícula WIMP (apuntados por las flechas en rojo en la figura de arriba). Los tres eventos se han observado el 23 de enero, 12 de febrero y 3 de junio de 2010, con energías de retroceso en la colisión con el núcleo de xenón de 30’2, 34’6 y 12’1 keV. El análisis estadístico mediante técnicas de Montecarlo indica que dos (1’8 ± 0’6 al 99’75% C.L.) de esos tres candidatos podrían ser espurios, fluctuaciones aleatorias en los detectores. Aunque el otro evento sea «real» no se puede saber cuál es entre los tres (la pregunta del millón). La estadística es así, si tres personas se comen un pollo, la estadística no permite saber si una o dos de esas personas han comido pollo o no.

Resumiendo, el resultado más importante de XENON100 es la exclusión de una gran parte del espacio parámetros para las WIMP que estaba sin explorar. Esta exclusión impone serias dudas en la interpretación de los resultados previos de DAMA y CoGENT sobre una partícula de materia oscura de baja masa. Además, la región excluida incluye gran parte de la región donde una partícula supersimétrica de materia oscura tipo WIMP puede ser detectada en el LHC del CERN. Por tanto, son malas noticias para la búsqueda de la materia oscura en el LHC. La partícula de la materia oscura cada día parece más difícil de descubrir.

PS (15 abr. 2011): Recomiendo la lectura de Tommaso Dorigo, «The New XENON 100 Results On Dark Matter,» A Quantum Diaries Survivor, April 14th 2011, donde Tommaso, experto en el análisis estadístico de los datos de aceleradores de partículas, ofrece interesantes comentarios sobre el análisis estadístico publicado (Tommaso no conoce los detalles del análisis realizado y sólo comenta sobre lo mostrado en el paper que se ha publicado).

Los físicos que lean esto y quieran información más técnica sobre el análisis estadístico realizado por la colaboración XENON 100 tendrán que leer el artículo G. Plante, E. Aprile et al., «New Measurement of the Scintillation Efficiency of Low-Energy Nuclear Recoils in Liquid Xenon,» ArXiv, 13 Apr 2011. Nos lo recomienda también Jester, «Xenon100: Nothing,» Résonaances, 14 April 2011.

Posible detección de dos partículas de materia oscura en el experimento francés EDELWEISS-II

Las partículas WIMP son un firme candidato a materia oscura y el experimento EDELWEISS-II del Laboratorio Subterráneo de Modane (Francia) ha publicado sus resultados finales de su búsqueda directa: tras 14 meses de operación continua han observado 5 candidatos, cuando se esperaba observar sólo 3. ¿Han observado dos partículas WIMP? La significación estadística de este resultado todavía no es suficiente para proclamar un descubrimiento, más aún porque el año pasado CDMS anunció la observación de otras dos WIMP que no corresponden a estas dos nuevas (la energía de retroceso de los núcleos para las de CDMS fue de 12 y 15 keV, pero las de EDELWEISS tienen energía mayor de 20 keV); tampoco coinciden con ninguno de los 3 eventos observados a finales del año pasado por CDMS II. Os recuerdo que EDELWEISS-II está compuesta de una serie de 10 detectores criogénicos cada uno con 400 gramos de germanio. Se espera mejorar este detector este año pasando de 400 a 800 gramos e introduciendo barreras adicionales que reduzcan el posible ruido de fondo (se han observado eventos espurios debidos a una contaminación por polonio en uno de los materiales de protección del experimento). ¡Habrá que estar al tanto de EDELWEISS en los próximos años! El artículo técnico para los interesados en los detalles es EDELWEISS Collaboration, «Final results of the EDELWEISS-II WIMP search using a 4-kg array of cryogenic germanium detectors with interleaved electrodes,» ArXiv, 21 Mar 2011. Recomiendo la lectura de Eugenie Samuel Reich, «Dark matter signal sparks interest, but falls short of discovery,» The Great Beyond, March 24, 2011.

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.

Rumore, rumore, … la materia oscura será desvelada el 28 de diciembre, digo el 18

El rumor de esta semana ha sido que «Habrían encontrado la primera partícula de materia oscura,» [visto en Menéame y en la mitad de los blogs de divulgación científica del mundo]. «Se están corriendo rumores de que una partícula de materia oscura ha sido finalmente encontrada en el experimento CDMS. También de que un artículo con el descubrimiento ha sido aceptado por la revista Nature, y se estima que dicho documento aparecerá en la edición del 18 de diciembre.»

Ya lo dije como comentario en Menéame, la noticia es errónea y parte del blog «Resonaances.» Se alude a que Nature ha embargado la noticia, no permitiendo a los miembros del CDMS hacer público el descubrimiento. El editor de Nature no ha podido callar. Leslie Sage ha enviado un e-mail al autor del blog para desmentir personalmente el rumor. Más aún, nos recuerda que el 18 de diciembre es viernes pero la revista Nature aparece los jueves. «Nature is about to publish a CDMS paper on dark matter, is completely false. I would be grateful if you would correct it immediately. Your comments about the embargo are therefore ridiculous. We regard confidentiality of results during the process as a matter of professional ethics, though of course authors are free to post to arxiv at any point during the process

Como no, Adrian Cho se ha hecho eco del rumor y nos lo cuenta en «Dark Matter Discovered? Don’t Bet on It,» ScienceNOW Daily News, 9 December 2009. El CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) es un conjunto de detectores semiconductores (de germanio y silicio) en una mina (Soudan) en Minnesota, que han sido diseñados para detectar partículas de materia oscura de tipo WIMP (weakly interacting massive particle). Según el rumor, el 18 de diciembre, la colaboración CDMS hará público la detección de la primera partícula WIMP. ¿Es fiable el rumor? En enero de 2009, CDMS publicó un resultado negativo a partir de los datos desde octubre de 2006 a julio de 2007, no encontraron ninguna WIMP. Desde entonces, CDMS ha tenido tiempo de duplicar su sensibilidad a estas partículas. Según los expertos, para proclamar un descubrimiento definitivo se requería un incremento en sensibilidad en un factor de 10 (para alcanzar una evidencia estadística con una confianza a cinco sigma). Como mucho, con los nuevos datos CDMS podría haber obtenido una evidencia de tres sigma (¿qué significa esto de las sigma?). Por tanto, incluso en el mejor de los casos, lo único que puede haberse observado en CDMS es evidencia a favor de la existencia de las partículas WIMP, pero poco más. Un descubrimiento definitivo requerirá la toma de datos durante varios años más.

Quizás desde el CDMS tendrían que haber cambiado el 18 de diciembre por el 28 de diciembre, así el rumor hubiera sido más convincente… en España, claro.