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 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.

XENON100 versus DAMA, guerra de cifras sobre la masa de las partículas WIMP de materia oscura

Límites para la sección eficaz versus la masa para partículas WIMP como materia oscura, obtenidos por XENON100 (línea continua), CDMS (línea discontinua), CoGeNT (línea verde), DAMA (líneas roja y azul) y un modelo teórico (gris).

Dos experimentos italianos subterráneos llamados XENON100 y DAMA, ambos  en Gran Sasso, han ofrecido datos contradictorios sobre las propiedades de la materia oscura. Los primeros datos de XENON100 contradicen a los previamente obtenidos por DAMA (ratificados por CoGENT y CDMA). La figura compara los resultados de XENON100 con los de otros detectores y son similares a los de CDMS. ¿Realmente los 11 primeros días de XENON100 demuestran que DAMA, CoGENT y CDMA están equivocados? No, ni mucho menos, dos días después de la publicación del artículo de la Colaboración XENON100, ha aparecido otro artículo en el que se presentan serias dudas sobre la interpretación de los datos observados por XENON100. En opinión de Juan I. Collar y Dan N. McKinsey, dos expertos de reconocido prestigio en física de la materia oscura y en partículas WIMP, se ha realizado una extrapolación de la sensibilidad de XENON100 a partículas WIMP de baja masa más allá de lo razonable y las conclusiones obtenidas son muy dudosas. Su artículo técnico “Comments on “First Dark Matter Results from the XENON100 Experiment”,” ArXiv, 5 May 2010, recomienda a los investigadores de la Colaboración de XENON100 que reexaminen sus “apresuradas” conclusiones, dado que las incertidumbres en sus detectores han sido subestimadas en casi un orden de magnitud. En opinión de Collar y McKinsey, el artículo técnico bajo sospecha, Elena Aprile et al. (XENON100 Collaboration), “First Dark Matter Results from the XENON100 Experiment,” ArXiv, 3 May 2010, no pasará una revisión por pares seria y no será publicado en ninguna revista internacional de prestigio sin que el análisis y la interpretación de los datos sean completamente reescritos. Elena Aprile afirma que no se puede hacer mejor de lo que lo han hecho y que esperarán a lo que digan los revisores. ¿Habrá un nuevo análisis de los datos? ¿Cuáles serán sus conclusiones? Habrá que estar al tanto… hay que recordar que los primeros que observen evidencia fiable sobre las partículas de materia oscura recibirán un Premio Nobel de Física. Un premio muy suculento que bien merece una guerra de cifras…

Hay más información sobre el nuevo resultado de XENON100 en muchas fuentes, pero en español recomiendo la traducción de Kanijo, “Los primeros resultados de un detector de materia oscura arrojan dudas sobre anteriores afirmaciones,” Ciencia Kanija, 10 Mayo 2010, del artículo de John Matson, “Early Results from Large Dark Matter Detector Cast Doubt on Earlier Claims. The XENON100 detector in Italy should have been able to confirm previous dark matter signals,” Scientific American, May 5, 2010.

Más información sobre las nuevas dudas sobre la interpretación de los datos de XENON100 en Jon Cartwright, “Dark matter ‘no result’ comes under fire,” Physics World, May 6, 2010, en Chad Orzel, “Through a (Noble) Gas, Darkly,” Uncertain Principles, May 6, 2010, y como no en “More dark entries,” Resoonances, 1 May 2010 (revisado el 4 y luego el 6 de mayo).

PS: La respuesta a la crítica de Collar y McKinsey por parte de los miembros de la Colaboración XENON100 no se ha hecho esperar mucho: The XENON100 Collaboration, “Reply to the Comments on the XENON100 First Dark Matter Results,” ArXiv, Submitted on 14 May 2010.