Caza de materia oscura
Vista ascendente desde el interior del Gran Experimento Xenón Subterráneo con Materia OscuraEs una pena para los físicos pobres que buscan materia oscura, una sustancia exótica que constituye aproximadamente una cuarta parte de toda la materia en el espacio, interactuando con el resto del Universo solo a través de la gravedad y la interacción débil. Y no pasa una semana sin un nuevo indicio de que la física oscura se burla de los físicos, surge en el límite del error estadístico y luego desaparece, rompiendo sus esperanzas.Para buscar materia oscura, se llevan a cabo una gran cantidad de experimentos, una sopa de letras completa de las abreviaturas, y cada uno usa su propia técnica y tecnología. Entonces, los físicos tienen que buscar algo cuyas propiedades exactas sean desconocidas para ellos. El problema es que, aunque se descubrieron varios indicios de materia oscura en varios experimentos, no son consistentes entre sí. Si coloca los resultados de diferentes experimentos en diferentes colores en un gráfico, se verá como arte abstracto.Hace 6 años, Juan Colard, de la Universidad de Chicago, estaba lleno de esperanza por la detección temprana de la materia oscura. Pero cada resultado posterior parecía apuntar en una nueva dirección. No es sorprendente que comience su informe parafraseando a The Big Lebowski: "Somos nihilistas, no creemos nada"."En los últimos años, parece que estamos persiguiendo nuestra propia cola", dijo Kolar en una entrevista.La buena noticia es que tal vez algo está picoteando nuevamente. Los físicos ven signos en los cielos y en las profundidades subterráneas, y buscan otros signos en el Gran Colisionador de Hadrones, que también participa en la búsqueda de materia oscura. El susurro sobre la materia oscura se vuelve más fuerte, y varias señales parecen comenzar a converger. La mala noticia es que estas sugerencias aún no son consistentes, y cada una es demasiado poco confiable, según Kathryn Zurek de la Universidad de Michigan. Muchos físicos son escépticos de que se puedan encontrar signos de materia oscura. Algunos son generalmente adictos al nihilismo, como Kolar, quien dijo: "Es difícil no ser nihilista, dado cómo van las cosas".Materia misteriosa
La materia visible habitual (planetas, estrellas, galaxias, todo lo demás) constituye solo el 4.9% de todo lo que hay en el Universo. La mayor parte, 68.3%, consiste en energía oscura, responsable de la expansión acelerada del espacio. El resto, 26.8%, consiste en materia oscura.Si los físicos no saben exactamente qué es la materia oscura, entonces están seguros de su existencia. El concepto surgió en 1933 cuando Fritz Zwicky analizó las velocidades de las galaxias en un cúmulo y llegó a la conclusión de que la atracción gravitacional ejercida por la materia visible no puede evitar que las galaxias en movimiento a altas velocidades escapen del cúmulo. Décadas más tarde, Vera Rubin y Kent Ford encontraron otra evidencia de la "materia oscura" de Zwicky al observar estrellas girando en el borde de las galaxias. Se suponía que las estrellas se moverían más lentamente cuanto más lejos estuvieran del centro de las galaxias, al igual que los planetas exteriores de nuestro sistema solar se mueven alrededor del sol más lentamente. En cambio, las estrellas externas se movieron tan rápido como las estrellas más cerca del centro, pero las galaxias no se desintegraron. Algo complementó la atracción gravitacional.La materia oscura no fue la única explicación. Quizás fue necesario arreglar el modelo de gravedad de Einstein. Se han propuesto muchos modelos alternativos, como MOND (dinámica newtoniana modificada). La propia Rubin se sintió inclinada por esto y dijo en una entrevista con New Scientist en 2005 que "era una opción más atractiva que el Universo lleno de un nuevo tipo de partículas subnucleares".
La masa total de galaxias en el cúmulo Bullet es mucho más pequeña que la masa de dos nubes en el cúmulo, que consiste en rayos X que emiten gases calientes (marcados en rojo). Las áreas azules, incluso más masivas que todas las galaxias y nubes juntas, muestran la distribución de la materia oscura.Pero la naturaleza está marginada por nuestras preferencias estéticas. En 2006, la impactante imagen del Bullet Cluster (1E 0657-56) puso fin a esta pregunta. En él se veían dos cúmulos de galaxias que se cruzaban entre sí, y sus gases, al chocar, crearon una onda de choque en forma de bala. Los resultados del análisis resultaron ser sorprendentes: el gas caliente (materia ordinaria) se acumuló en formaciones más densas en el centro donde tuvo lugar la colisión y, por otro lado, lo que solo podía ser materia oscura acumulada. Cuando los grupos chocaban, la materia oscura pasaba directamente, ya que rara vez interactúa con la materia ordinaria."Creo que en esta etapa podemos estar seguros de la existencia de materia oscura", dice Dan Hooper, físico de la Universidad de Chicago. "Hasta donde sé, ni una sola teoría de la gravedad modificada explica esto".Un candidato líder para partículas de materia oscura es la clase de partículas masivas de interacción débil, WIMP, similar a otra partícula subatómica, un neutrino, que también rara vez interactúa con otra materia. Después del descubrimiento del bosón de Higgs , una era de la física de partículas ha terminado, y la atención pública está cambiando a un nuevo descubrimiento importante. El cosmólogo Michael Turner, de la Universidad de Chicago, dijo que considera que esta década es la década de WIMP .Señal / ruido
La mayoría de los teóricos se inclinaron inicialmente por la variante pesada de WIMP, y creían que la materia oscura consiste en partículas que pesan aproximadamente 100 GeV. Las masas de partículas subatómicas se miden en unidades de masa-energía, electrón-voltios. Por ejemplo, la masa de un protón es 1 GeV. Pero la evidencia más reciente parece respaldar la opción de partículas ligeras, en las cuales su masa está en el rango de 7 a 10 GeV. Debido a esto, registrarlos directamente es difícil, ya que muchos experimentos se basan en medir el retroceso del núcleo.Tales experimentos generalmente se llevan a cabo bajo tierra, con el fin de filtrar mejor los rayos cósmicos, que pueden confundirse fácilmente con señales de materia oscura. Implican un detector con material objetivo cuidadosamente seleccionado, por ejemplo, cristales de germanio o silicio, o xenón líquido. Luego, los físicos esperan casos raros de colisión de partículas de materia oscura y núcleos atómicos del material objetivo. Esto debería generar destellos de luz y, si son lo suficientemente brillantes, el detector los grabará.Esto significa que para detectar una partícula de materia oscura, debe transportar suficiente energía para producir una señal que exceda el umbral de sensibilidad del detector cuando colisiona con el núcleo. Y los WIMP ligeros tienen menos probabilidades de hacer esto. Neil Weiner de NYU dice que la diferencia en los escenarios WIMP es la misma que la diferencia entre colisiones entre dos bolas de boliche y una pelota de ping pong con una bola de boliche. "Una partícula cinéticamente pesada es mucho más fácil de transferir esa energía que la luz", dice.¿Cómo buscan los físicos la materia oscura? Observe las ráfagas en los datos recopilados por los detectores. La intensidad de la señal está determinada por el número de desviaciones estadísticas estándar, o sigma, del valor de fondo esperado. Esta métrica a menudo se compara con las colas de una moneda varias veces seguidas. El resultado de tres sigma ya es una pista seria, equivalente a la pérdida de una moneda por un lado nueve veces seguidas.Muchas de estas señales se atenúan o desaparecen, volviéndose estadísticamente menos importantes con el advenimiento de nuevos datos. Patrón de oro de descubrimiento: cinco sigma, equivalente a una corrida de 21 colas seguidas. Si varias personas lanzan monedas al mismo tiempo, y todos tienen colas varias veces seguidas, o varios experimentos encuentran una señal de tres sigma en una brecha de masa, incluso es posible un resultado poco probable.Algunos de los indicios de la materia oscura se encuentran en el área difícil de 2.8 sigma. "Todos estos resultados prometedores pueden ser rechazados en una semana", dijo Matthew Buckley, del Laboratorio Nacional del Acelerador. Enrico Fermi (Fermilab). "Pero esas cosas siempre comienzan con pistas". Cuando recopila más datos, la pista se vuelve estadísticamente más significativa ".El ruido de fondo complica la tarea. "Estás buscando una" señal ". "Fondo" es todo lo que se parece a su señal y hace que sea difícil encontrarla ", escribió Matthew Strasler, físico de la Universidad de Rutgers, en un blog en julio de 2011 . Más tarde agregó: “Si no se tiene en cuenta el pequeño fondo, generalmente saldrá en forma de colisiones adicionales de baja energía, que se parecerán mucho a los WIMP ligeros. En otras palabras, la materia oscura clara se parece a una señal errónea ".Strasler comparó la tarea con tratar de encontrar un grupo de personas en una habitación llena de gente. Si sus amigos usarán las mismas chaquetas rojas brillantes, y todos los demás usarán ropa de otros colores, será fácil encontrar una señal. Si otras personas también usan chaquetas rojas brillantes, entonces grupos aleatorios de extraños ocultarán la señal. Imagine que calculó incorrectamente la cantidad de personas con chaquetas rojas, o incluso que es daltónico. En cualquiera de estos casos, llegarás a la conclusión equivocada: que encontraste a tus amigos cuando, de hecho, la señal es un grupo aleatorio de extraños.Evidencia para hoy
A pesar de estos desafíos, varios experimentos condujeron a algunos resultados prometedores, aunque controvertidos. Hace más de diez años, el experimento DAMA / LIBRA (búsqueda de materia oscura usando un detector de yoduro de potasio con talio agregado), ubicado en las profundidades de la montaña Gran Sasso d'Italia en el centro de Italia, encontró pequeñas fluctuaciones en el número de colisiones por año. Un grupo de científicos dijo que descubrieron una partícula de materia oscura en forma de un WIMP ligero que pesaba alrededor de 10 GeV.
DAMA / LIBRAOtros físicos han planteado serias dudas. Aunque la señal de DAMA / LIBRA fue realmente, podría ser evidencia de otra cosa. El hecho de que en otro experimento, XENON10 no ayudóubicado en las entrañas de la misma montaña, no fue posible detectar una señal en la misma brecha de energía. Lo mismo sucedió con el experimento CDMSII , realizado en una mina profunda en Sudán, Minnesota. Ambos experimentos recientes fueron lo suficientemente sensibles como para detectar una señal de tal energía si el resultado DAMA / LIBRA realmente se relaciona con la energía oscura.Otro experimento, CRESST , detectó una señal. Pero no correspondía completamente a la señal de DAMA / LIBRA, y su análisis no pudo tener en cuenta todos los posibles ruidos de fondo que podrían emular la señal deseada. Además, DAMA / LIBRA irritó a los científicos al negarse a compartir los datos con el público para que otros pudieran estudiarlos.Cuando se discuten las diferencias entre los experimentos, las pasiones a menudo hierven. "Sucede que haces un informe sobre la materia oscura, y todo termina en una pelea", dice Buckley.Pero el resultado del grupo italiano de científicos resultó ser bastante estable. Kolar, junto con otros críticos ardientes, decidió probar la falacia de los descubrimientos de DAMA / LIBRA mediante la organización de su experimento, llamado CoGeNT . En 2011, este plan se vino abajo, ya que un análisis preliminar de los datos de CoGeNT confirmó los resultados."Construimos CoGeNT con la intención de exponer DAMA, y ahora de repente estamos atrapados en el mismo espacio de parámetros", dice Kolar. Sin embargo, debido a un incendio en la mina de Sudán en el que tuvo lugar el experimento, se obtuvieron descubrimientos iniciales a partir de datos que cubren un período de solo 15 meses. Y muestran otra señal de 2.8 sigma. Ahora el equipo de Kolar está analizando los datos obtenidos durante los tres años y medio del experimento, lo que debería fortalecer esta señal, si es real.
Experimento CoGeNTLas dudas no han desaparecido. Resultados de CDMSII muestran tres eventosde la misma región a 10 GeV. Dos años antes, dos eventos similares a la materia oscura se registraron en CDMSII, pero después de un análisis cuidadoso se descartaron. Esta vez "tuvimos tres eventos claros", dice Zurek."Si alguien viera materia oscura, entonces se vería de esa manera", dice ella. Pero debido al hecho de que todavía están en el límite de 2.8 sigma, "nadie creerá que estos tres eventos se debieron a la materia oscura hasta que alguien más la vea". La evidencia más reciente ya ha llevado a los físicos con XENON10 a revisar su análisis y concluir que rechazaron erróneamente los indicios de los WIMP de pulmón encontrados en DAMA / LIBRA.De repente, la variante WIMP ligera es al menos probable, y está respaldada por el análisis de Hooper de los rayos gamma emitidos desde el centro de nuestra Vía Láctea, que muestra indicios de una señal de materia oscura correspondiente a la variante 10 GeV.Pero esta no es la única opción. WIMP sin dinámicas interesantes, sin importar la masa que tengan, es la versión más simple de la materia oscura. Puede haber varios tipos de partículas de materia oscura, con diferentes tipos de interacciones a través de las fuerzas oscuras que conforman todo el "sector oscuro" del Universo, que los teóricos apenas comienzan a explorar. Weiner cree que los modelos con poder oscuro son "la forma más directa de explicar algunas de estas anomalías", pero advierte que la demostración experimental aún está muy lejos. Zyurek está de acuerdo: "En principio, podemos escribir cualquier cantidad de teorías, pero la naturaleza solo tendrá que elegir una", dice ella.¿Cuándo podemos averiguar si todas estas pistas son reales? Tal vez durante el año, tal vez tenga que esperar mucho más. Sin embargo, los físicos que intentan encontrar materia oscura pronto pueden encontrar restricciones más pragmáticas: recortes presupuestarios. Una variedad de experimentos es importante para las búsquedas. "Dado que no sabemos por qué física de partículas la materia oscura interactúa con la normalidad, varios experimentos diferentes minimizan la posibilidad de perder materia oscura debido a la elección incorrecta, y si se encuentra algo en varios experimentos, será posible descartar modelos teóricos mucho más rápido". dijo Buckley. Sin embargo, todos los experimentos son necesarios para informar los resultados al Departamento de Energía de los EE. UU., Y solo 2-3 de ellos podrán sobrevivir."El departamento está poniendo las cosas en orden", dice Kolar. - La diversidad es buena, pero la cantidad de dinero es limitada. Si los detectores en construcción fallan, será muy difícil encontrar la motivación para continuar ".Nota del traductor; desde la redacción del artículo original:• El detector CRESST se actualizó en 2015, aumentando la sensibilidad en 100 veces para que ahora pueda detectar partículas de materia oscura con una masa aproximadamente igual a la masa del protón. Está siendo reemplazado por el experimento de la matriz de calorímetro de eventos raros subterráneos europeos (EURECA).• El detector CDMSII fue reemplazado por el detector SuperCDMS de próxima generación.• El experimento CoGeNT fue procesado y concluyó que las señales recibidas recibidas como WIMP no se contabilizaron por el ruido de fondo.• En 2016, el detector XENON10 fue reemplazado por el XENON1T más sensible, aumentando la sensibilidad en 100 veces.• Para reproducir el sensor DAMA / LIBRA en Australia, se está construyendo el Laboratorio de Física Subterránea de Stawell (SUPL).• Hasta febrero de 2017, no se ha obtenido evidencia convincente de la detección de partículas de materia oscura.Source: https://habr.com/ru/post/es401677/
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