NeoFronteras

Acotación de la masa de WIMPs

Área: Espacio,Física — lunes, 5 de diciembre de 2011

Si las WIMPs constituyen la materia oscura entonces tienen que tener una masa superior a los 40 GeV/c2 y por otro lado, se refuta la detección de otras de 100 GeV/c2.

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Galaxias enanas estudiadas para este estudio. Fuente: NASA, DOE, Fermi-LAT Collaboration, Koushiappas y Geringer-Sameth, Brown University.

La verdad es que no se tiene ni idea de qué puede ser lo que componga esa materia oscura que constituye la mayoría de la masa del Universo. Una de las hipótesis más favoritas entre la comunidad científica es la que sostiene que la materia oscura está formada por partículas que interactúan débilmente con las demás o WIMP. Digamos que estás partículas casi sólo se verían atraídas por la gravedad y casi sólo producirían atracción gravitatoria, de ahí su efecto sobre el giro de las galaxias y otros fenómenos que parecen indicarnos que tal materia existe.
Es aquí donde empiezan los problemas. Si sólo y estrictamente interactúan gravitatoriamente, y ese “casi” no existe, entonces la única manera de demostrar su existencia, pues el chaparrón natural de estas partículas no podría detectarse, sería usando un colisionador de partículas con la potencia suficiente como para producirlas. Con este método tampoco las podríamos detectar directamente, pero su existencia dejaría un rastro de ausencia que nos permitiría inferir su existencia. Si su masa fuera muy grande no hay ningún colisionador en activo o futuro que las pudiese generar, habría que conformarse con las producidas durante el Big Bang. Es decir, si no interactúan en absoluto salvo gravitatoriamente y tienen una masa muy grande, la hipótesis de estas partículas no sería falsable desde un punto de vista científico. Por eso es siempre importante acotar la posible masa de estas partículas.
Ahora físicos de la Universidad de Brown ha establecido un límite estricto a la masa de las partículas que supuestamente forman la materia oscura. El estudio lo publican en un PRL (Physical Review Letters). Pues bien, según ellos la masa debe ser superior a un equivalente en energía de 40 GeV. Este resultado contradice los resultados recientes en experimentos subterráneos sobre posibles detecciones de este tipo de partículas y, por tanto, arroja dudas sobre los mismos.
Savvas Koushiappas y Alex Geringer-Sameth llegan a esta conclusión basándose en datos del observatorio espacial Fermi y calculando la tasa a la que estas partículas se aniquilarían en las pequeñas galaxias que orbitan la Vía Láctea.
Si hay partículas tipo WIMP también debe haber sus correspondientes antipartículas y deben aniquilarse entre sí de vez en cuando produciendo quarks pesados y leptones en el proceso. Y la posterior aniquilación entre quarks pesados debe producir otras partículas entre las que se encuentran fotones gamma que pueden ser registrados por el telescopio Fermi.
Koushiappas y Geringer-Sameth han calculado, en sentido inverso, cómo pueden ser esas WIMPs a partir de lo datos sobre fotones gamma registrados por Fermi. Esos fotones proceden de siete galaxias enanas que orbitan nuestra galaxia y que se supone que contienen mucha materia oscura y tienen poco gas. Este tipo de galaxias son candidatas “limpias” para este tipo de estudios por su buena relación señal/ruido.
A partir de lo fotones han podido deducir la tasa de producción de quarks y finalmente la masa de las supuestas WIMPs (más bien una cota inferior).
Koushiappas sostiene que si se detectan partículas por debajo de los 40 GeV entonces no pueden formar parte de la energía oscura. Si fuese menor de ese límite, entonces la cantidad de masa oscura sería tal que el Universo no se expandiría o se aceleraría tal y como observamos.
Según resultados recientes procedentes de los detectores subterráneos DAMA/LIBRA, CoGeNT y CRESST podría haber partículas WIMPs con una masa de 7 a 12 GeV/c2, lo que está bastante por debajo de la cota calculada por estos físicos de Brown.
Quizás lo más importante de esto sea que los del grupo Fermi-LAT han llegado al mismo resultado de manera independiente. Resultado que también se publica en el mismo ejemplar de PRL.

Por otro lado, hace un tiempo, datos del satélite PAMELA basados en señales de unos 100 GeV sugerían la presencia de WIMPs por aniquilación. Estas señales han sido confirmadas ahora por Fermi, pero a la vez se descarta que el origen sean las famosas WIMPs.
Se suponía que la aniquilación entre WIMPs eran la causa de estas señales que producirían positrones. Los positrones pueden ser finalmente detectados por Fermi y otros detectores de rayos gamma gracias a su posterior aniquilación con electrones, pero Fermi no estaba diseñado para registrar positrones al no tener un campo magnético. En datos previos de Fermi no se había registrado esta señal porque sólo se consideraba la suma total de partículas y antipartículas.
Físicos de Stanford University usaron el campo magnético de la propia Tierra para distinguir con Fermi los positrones de las demás partículas.
Si el origen de los positrones fuera la aniquilación de WIMPs habría un pico en la señal que caería abruptamente para una determinada energía. Esto permitiría calcular la masa de las WIMPs.
Los datos de Fermi, filtrados por este método que considera el campo magnético terrestre, indican que la abundancia de positrones sube a los 20 GeV hasta los 100 GeV y esta señal se mantiene hasta los 200 GeV. Si esto fuera debido a las WIMPs, las hipotéticas partículas tendrían una masa 100 veces superior a la del protón, lo que encajaría con ciertas teorías.
Pero todo parece indicar que la señal sigue subiendo a energías más altas incluso por encima de lo que puede medir Fermi. En lugar de un pico en la señal hay un espectro amplio en energía, lo que descarta que sea producido por aniquilación de WIMPs. Los positrones serían generados por otras fuentes como estrellas de neutrones.
El detector AMS-02, que fue colocado en la Estación Espacial Internacional hace poco tiempo y tiene un campo magnético propio, permitirá dilucidar aun mejor esto.

En resumidas cuentas, se descartan WIMPs por debajo de 40 GeV y no se confirman las de 100 GeV. Se sabe, por tanto, un poco más sobre lo que no son las WIMPs o la materia oscura.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Noticia en Science.

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5 Comentarios

  1. Emberck:

    Creo que hay un error de base en el planteamiento de esta hipótesis, se supone que “existen sus correspondientes antipartículas y que el aniquilamiento mutuo sería detectable”, es decir, estamos suponiendo que la asimetría partícula-antipartícula que ocurre en la materia ordinaria no ocurrió en la materia WIMP, lo cual es como mínimo difícil de explicar…
    Saludos

  2. tomás:

    Estimado Neo:
    Lamento someterte al trabajo de explicarme porque, estoy días son, para la mayoría, de puente-acueducto. Me respondas o no, te lo agradeceré igualmente.
    Se trata de que se dé por supuesta la eficacia de “un colisionador con la potencia suficiente…”. Si no tenemos otro modo de inferir la realidad de las WIMPs que detectar su ausencia ¿como podemos asegurar que el colisionador las produce? Posiblemente la respuesta esté en que “siempre” que se producen otras partículas detectables se han de producir WIMPs, pero resulta que estas, de momento, son hipotéticas. En fin, que no lo comprendo.
    Mis mejores saludos.

  3. NeoFronteras:

    Este asunto es cada vez más oscuro y no parece que tales WIMPs existan o se puedan detectar y menos con un colisionador más grande, que además nadie querrá financiar. Bastaría que tal colisionador tenga una energía por encima del equivalente en masa de tales partículas, pero ¿y si esa masa es colosal? Hay graves problemas de falsabilidad en todo este asunto.
    Da la impresión de que hay algo que no conocemos bien de la Naturaleza.

  4. Miguel Angel:

    En un reportaje que ví hace unos meses había una animación en que pintaban a las partículas de la materia ordinaria como esferas de colores. En medio de estas partículas estaban las WIMPs y las representaban como al “Inspector Gadget”, con gabardina y todo, tratando de pasar de “incógnito”.

    Como no interactúan con nada o casí nada, son muy difíciles de detectar,´con lo cual como dice Neo hay un problema de falsabilidad, podrían no existir las WIMPs y es muy probalble que la teoría sobre la gravedad de Einstein tampoco sea definitiva…

    Merece especial comentario la última frase de Neo: “da la impresión de que hay algo que no conocemos bien de la Naturaleza”. Como usted mismo dice, no podemos aprehender la realidad en toda su extensión, siempre queda espacio para la incertidumbre y este espacio se amplía cuánto mas nos queremos acercar a esa utópica “realidad última”.
    mnwf

  5. tomás:

    Estimados:
    En efecto, es absolutamente cierta la última frase del 3 de Neo. Siempre lo he dado por hecho, pero de una forma absoluta y sin posibilidad alguna de evitarlo en el futuro más lejano. Incluso podríamos decir que es una cualidad tácita del método científico. Creo recordar que Stephen Hawkig, dijo ya hace años que pronto el cuerpo de la Física estaría acabado y me pareció de un optimismo impropio de su inteligencia. Ahora resulta que estamos sumidos en un mar de contradicciones, lo cual, ciertamente, nadie esperaba. Parece evidente que en algo fundamental se está fallando.
    Saludos.

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