NeoFronteras

La supuesta detección, por parte de del experimento CoGeNT, de WIMPs levanta la polémica en el campo de la detección directa de materia oscura.

Uno de los cristales empleados en CoGeNT. Fuente: CoGeNT Collaboration.

Desde hace ya años se propuso la existencia de partículas débilmente interactuantes o WIMPs para explicar la presencia de una masa que no podemos ver en ciertos fenómenos astronómicos, como en la rotación de galaxias. El 83% de la masa del Universo podría estar constituido por materia oscura cuya naturaleza nos es desconocida.
Se ha realizado un esfuerzo por parte de diversos grupos de investigación a lo largo de todo el mundo para poder detectar esas partículas, que, por definición, son muy difíciles de detectar.
El experimento italiano DAMA/LIBRA ha venido detectando una modulación anual en la detección de unas partículas que podrían ser WIMPs durante los últimos tiempos. Sin embargo, otros grupos de investigación no lograban ver lo mismo.
Ahora, el grupo de investigadores del experimento CoGeNT informa que están viendo una señal similar a la detectada por los italianos, por lo que se confirmarían sus resultados. Juan Collar, de University of Chicago, y John Orrell, de Pacific Northwest National Laboratory, publican dos artículos al respecto en Physical Review Letters.
El experimento CoGeNT se encuentra en la mina Soudan de Minnesota y está basado en unos cristales de germanio. Ante todo hay que decir que la detección de este tipo de partículas no solamente es difícil en sí mismo, sino que hay que encontrar esas escasas señales entre un mar de “ruido”. La Tierra, además de estar bañada por esas supuestas WIMPS, está sometida a los rayos cósmicos y al viento solar, que producen todo un chaparrón de partículas sobre la superficie terrestre. Además, la Tierra contiene elementos radiactivos que también emiten partículas. Se pueden evitar parcialmente estos problemas instalando los detectores a gran profundidad en minas abandonadas o en túneles en el interior de las montañas, pero no se obtienen milagros.
Las supuestas señales podrían ser reales o ser una fluctuación estadística. Distinguir entre una y otra no es sencillo y se necesitan muchas medidas para poder afirmar algo con cierto nivel de significación.
Los teóricos predijeron que la materia oscura podría formar una nube de WIMPs en la que estaría inmersa nuestra galaxia. La Tierra gira alrededor del Sol y éste se mueve en la Vía Láctea. Estos movimientos producirían una modulación en la señal correspondiente al paso de WIMPs por los detectores. De esto modo, si, dependiendo de la época del año, se detectan más o menos supuestas WIMPs tendremos argumentos a favor de su realidad física.
Recordemos que el Sol se mueve por el plano galáctico a una velocidad 220 km/s y la Tierra a 15 km/s respecto al Sol. En invierno (boreal) la Tierra se mueve un poco en dirección opuesta a como lo hace el Sol a través de la galaxia (y a través de la supuesta nube de materia oscura), pero en verano los dos movimiento están casi alineados.
Si a lo largo de los años se acumula suficiente estadística, esos argumentos de la detección de una modulación estacional tendrán un mayor peso. Esta variación estacional es la que ha venido detectando el grupo italiano y es la que ahora dicen haber detectado el grupo de CoGeNT. No deja de ser irónico que Juan Collar estuviera entre los escépticos sobre los datos de DAMA/LIBRA y que creyera que sus propios datos rechazarían el resultado italiano.
En sus 15 meses de funcionamiento (un incendio interrumpió las medidas en marzo de este año), CoGeNT parece haber detectado un promedio de una WIMP al día, pero con una variación estacional del 16%. Las medidas sugieren que las WIMPs tendrían una masa de unas 7 veces la masa del protón. Según los cálculos, la probabilidad de que los datos de CoGeNT sean una fluctuación es del 0,6% (2,8 σ). El análisis de los datos se ha realizado debido a que ahora no se están tomando medidas. Si no se hubiera producido el incendio todavía estarían tomando datos. Debido a que las labores de limpieza no han terminado, aún no saben si se podrá continuar usando el detector y los daños sufridos por el mismo, aunque lo más probable es que sea ahora inutilizable.
La estadística no parece ser lo suficientemente buena, de momento, como para decir que los resultados son los mismos que los obtenidos por DAMA/LIBRA italiano en los últimos 13 años. Algunos sostienen además que el tipo de partícula supuestamente detectado en CoGeNT es compatible con otras pruebas indirectas, como las obtenidas por el observatorio orbital Fermi en espectros de rayos gamma.
Pero un acuerdo entre dos o tres experimentos tampoco es la última palabra. El caso del pentaquark así nos lo recuerda. En el pasado diez experimentos decían haberlo detectado, pero al final resultó que no existía. Incluso puede ser que la variación estacional sea real, pero que se deba a otro tipo de fenómeno.
Lo malo es que otros experimentos similares, como Xenon100 no ha detectado esa variación estacional en sus datos. Quizás se deba a que Xenon100 no tenga suficiente sensibilidad, pero los investigadores de este experimento afirman que ya han rechazado la posibilidad de existencia de WIMPs en esa gama de energía.
Los resultados de DAMA/LIBRA fueron rechazados (incluso ridiculizados) en el pasado y ahora los de CoGeNT se quejan de lo mismo.
Estos experimentos se basan en tecnologías distintas, DAMA usa 250 kg de cristales de ioduro de sodio dopados con talio, CoGeNT usa cristales de germanio que suman medio kilogramo y Xenon100 xenón líquido (varias decenas de kilos). Además, están basados en distintos fenómenos físicos a la hora de detectar WIMPs. Esto hace que cada uno de ellos sea mejor para detectar WIMPs a distintas gamas de energía y esto tampoco facilita el análisis y comparativa entre los distintos experimentos.
La polémica académica está servida y ahora unos se acusan a otros de estar equivocados. Será interesante ver lo que digan sobre este episodio los historiadores de la ciencia del futuro.

ACTUALIZACIÓN:

Los últimos datos del telescopios de rayos gamma Fermi, todavía sólo publicados en ArXiv, parecen no apoyar la existencia de WIMPs. Se supone que estás partículas deben tener sus correspondientes antipartículas y que de vez en cuando se deben de aniquilar produciendo fotones gamma cuya energía serían un reflejo de la masa de las WIMPs originales.
Fermi no ha encontrado ningún pico de emisión gamma en la gama de energías que va de los 30 a los 200 GeV ni en el halo galáctico de nuestra galaxia ni en las galaxias enanas, donde se supone que tiene que haber materia oscura.
La confusión oscura prosigue.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo en ArXiv 1.
Artículo en ArXiv 2.
Artículo en ArXiv 3.
Artículo en ArXiv 4.