Un análisis del cúmulo galáctico Abell 1689 apunta a que su materia oscura podrían ser neutrinos

Dibujo20090926_Theo_Nieuwenhuizen_caricatureEl modelo de la materia oscura “caliente” (partículas ultrarrelativistas de baja masa como los neutrinos) es descartado por la mayoría de los cosmólogos. Nieuwenhuizen de la Universidad de Amsterdam, Holanda, ha aplicado el teorema virial a la materia oscura observada mediante lentes gravitatorias en el cúmulo Abell 1689 y ha mostrado que si su origen son partículas WIMP de tipo fermiónico deben tener una masa de pocos electrón voltio (eV). Materia oscura caliente cuyo candidato ideal son los neutrinos. Su análisis teórico descarta el modelo de materia oscura fría para Abell 1689. Para una constante de Hubble H=100*h km/s Mpc (el valor usual de h es 0,70), la masa de los neutrinos debería ser mν =1,445 h1/2 eV. Como el propio Nieuwenhuizen afirma en las conclusiones de su artículo, su modelo está en flagrante contradicción con el modelo cosmológico estándar, según el cual se interpretan los resultados del satélite WMAP acotando la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos mνe +mνμ +mντ < 0,5 eV. Sin embargo, el autor nos recuerda que en dicha interpretación se asume un modelo de materia oscura fría. Mientras no se descubra un buen candidato a materia oscura fría (una partícula WIMP con una masa de cientos de GeV), el autor cree que no debemos descartar a los neutrinos como responsables de la materia oscura. Sólo la determinación experimental de la masa de los neutrinos permitirá descartarlos definitivamente como candidatos a materia oscura. El experimento KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino) planificado entre 2012 y 2015 determinará la masa de los neutrinos (siempre que sea superior 0,2 eV) y confirmará o refutará el modelo de materia oscura caliente de Nieuwenhuizen. El artículo técnico es Th. M. Nieuwenhuizen, “Do non-relativistic neutrinos constitute the dark matter?,” EPL (Europhysics Letters) 86: 59001 (2009).

El comentario del propio editor de la revista sobre este artículo, R. A. Treumann, “Highlight Notes on “Do non-relativistic neutrinos constitute the dark matter?”,” EPL 86: 50000 (2009), merece la pena ser traducido aquí. La materia del universo parece estar formada fundamentalmente de materia oscura, que sabemos que existe, pero que no sabemos qué es. Ninguna partícula elemental conocida parece ser un buen candidato a materia oscura. La creencia general es que consiste en partículas masivas y débilmente interactuantes (Weakly Interacting and Massive Particles, WIMP). El artículo de Nieuwenhuizen utiliza el exceso de masa experimentalmente observado en el cúmulo de galaxias Abell 1689 y lo ajusta utilizando un modelo basado en un gas isotérmico de fermiones. El resultado muestra que la masa de dichos fermiones debe ser m=1,45 eV. El autor compara dicha masa con la de las partículas conocidas y concluye que las tres familias de neutrinos son el mejor candidato posible. Estos neutrinos cosmológicos no entran en contradicción con los escenarios de evolución cosmológica aceptados y se acumularán en un condensado en el cúmulo con un corrimiento al rojo de z∼28 contribuyendo activamente a reionizar el gas en el interior del cúmulo. Este artículo y su análisis teórico revitaliza la teoría ya abandonada de que los neutrinos pueden ser un candidato viable a materia oscura (al menos para el supercúmulo Abell 1689).

Descubrirá el satélite Fermi la materia oscura galáctica gracias al efecto Sommerfield

Dibujo20090722_All-sky-map_Mollweide_projection_of_Sommerfeld-enhanced_WIMP_annihilation_surface_brightnessEl satélite Fermi podría detectar la materia oscura en nuestra galaxia si observa ciertos lugares de nuestra galaxia donde un estudio que aparecerá en Science ha encontrado que el efecto de Sommerfield amplifica el flujo de fotones producido por la autodesintegración de la materia oscura (si es una partícula elemental tipo WIMP, es inestable y debe tener una vida media corta). Si Fermi tras mirar a dichas regiones no encontrara un exceso de fotones con el espectro de energías adecuadas, sería una duro golpe para la teoría que afirma que las WIMP (partículas masivas débilmente interactuantes) son las responsables de la materia oscura. La figura de la izquierda muestra los lugares (puntos negros rodeados de rojo) donde deberá ser apuntado Fermi para descubrir la materia oscura y si lo logra quizás obtener un Premio Nobel para sus diseñadores. El artículo técnico ha sido aceptado para publicación en la prestigiosa Science, en concreto, Michael Kuhlen, Piero Madau, Joseph Silk, “Exploring Dark Matter with Milky Way Substructure,” Science Express, Published Online July 16, 2009, y está disponible gratis (ArXiv, Submitted on 30 Jun 2009, last revised 2 Jul 2009).

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.