Una breve descripción de los indicios de la existencia de materia oscura: señales (dos de las cuales se encontraron en el cielo y cuatro subterráneas), lo que puede significar que estas partículas de materia oscura están involucradas en algo interesante. Un par de señales pueden ser ciertas, pero no las seis, ya que algunas se contradicen entre sí. Esto no debería preocuparte: una situación similar es completamente normal para la ciencia avanzada; La investigación es un asunto complicado, y la mayoría de las alusiones a algo sorprendente resultan ser espejismos: accidentes estadísticos, rarezas desconocidas hasta ahora, problemas de medición o simplemente errores triviales. En el caso de, por ejemplo, la partícula de Higgs, tuvimos varias falsas alarmas hasta que, finalmente, la alarma resultó ser verdadera. Entonces, debemos ser pacientes y cuidadosos, y no perder la esperanza; Los descubrimientos son raros, pero suceden.
Materia oscura en lo alto
La información obtenida del satélite Fermi sugiere que una corriente de fotones de ciertas energías (aproximadamente 135 GeV, es decir, con una energía de masa de aproximadamente 143 veces más que la de un protón) emana del centro de la Galaxia. Potencialmente, esto podría ser un signo de la presencia de partículas de materia oscura (debería haber especialmente muchas de estas partículas moviéndose lentamente en un círculo en el centro de la Galaxia), que colisionan entre sí, se aniquilan y se convierten en fotones.
En resumen, es algo así: la ley de conservación de energía asegura que la energía de dos partículas de materia oscura aniquiladoras (representadas principalmente como energía de masa, ya que las partículas de materia oscura se mueven muy lentamente a través de la galaxia) se convierte en la energía de movimiento de dos fotones, por lo tanto, la energía cada fotón es igual a la masa de una partícula de materia oscura multiplicada por c
2 .
¿Debo preocuparme por el hecho de que esta señal puede no ser lo que parece? El pequeño problema es que un
WIMP estándar (una partícula masiva que interactúa con la materia a través de una interacción nuclear débil) no puede producir dicha señal sin emitir otras señales que también tendríamos que ver (por ejemplo, una gran cantidad de protones de menor energía) . Pero la popularidad de los WIMP es un poco exagerada, y otros tipos de partículas de materia oscura, que los teóricos han imaginado durante muchos años, son bastante capaces de hacer todo lo necesario.
Las preocupaciones más serias son que la señal no solo proviene del centro de la Galaxia, sino que también proviene del borde de la
extremidad de la Tierra y posiblemente del Sol. Tal comportamiento de la aniquilación de la materia oscura no es de esperar. Y el hecho de que esta señal aparezca en lugares tan extraños donde no se esperaba puede significar que todo esto es solo un problema obvio con el detector de fotones Fermi. Nadie lo sabe a ciencia cierta todavía.
Otro ejemplo. En el experimento con el espectrómetro alfa magnético (Eng. Alpha Magnetic Spectrometer, AMS), que opera en la ISS, recientemente se anunció un gran "descubrimiento" (aunque la mayoría de los comunicados de prensa olvidaron mencionar que simplemente confirmaron que el experimento
PAMELA ya había abierto en 2008). PAMELA descubrió, y AMS confirmó, y estudió con mucho más detalle que en el espacio exterior hay un enorme exceso de positrones de alta energía, en comparación con lo que cabría esperar (los positrones son antipartículas de electrones). Para los positrones "extra", las energías varían de 10 GeV a al menos 350 GeV, y los datos de AMS no van más allá.
Es posible que estos positrones aparecieran debido a la aniquilación de partículas de materia oscura. Pero si es así, no pueden ser partículas TM del mismo tipo que el experimento de Fermi ve en el centro de la galaxia. Cualquier partícula TM responsable de la señal de AMS tendría una masa de más de 350 GeV / s
2 para emitir positrones de energía de 350 GeV, mientras que si los fotones que Fermi ve producen precisamente partículas TM, dichas partículas nunca lo harán. produciría un positrón con energías superiores a 135 GeV. Esto se sigue solo de la conservación de la energía; Si la masa de cada una de las dos partículas TM aniquiladoras es de 135 GeV / s
2 y se mueven lo suficientemente lentamente, debido a que su energía de movimiento es lo suficientemente pequeña, los electrones y positrones obtenidos en la aniquilación no pueden tener una energía mayor de 135 GeV. Entonces, Fermi y AMS no pueden ver los efectos de la presencia de TM, al menos uno de ellos ve algo más.
Como dijeron en 2008 (y los experimentadores con AMS son cuidadosos de admitir), esos positrones que PAMELA vio entonces y lo que AMS ve ahora pueden ser generados por efectos astrofísicos, por ejemplo, un púlsar cercano (una estrella que gira rápidamente con potente campo magnético, que puede servir como un acelerador de partículas natural y convertirse en una fuente de pares adicionales de electrones-positrones). Y como todos han sabido desde 2008 (y que los experimentadores con AMS tuvieron la imprudencia de no admitir), los
neutralinos más simples predichos por las teorías con
supersimetría (o cualquier otro debilucho) no pueden producir señales tan poderosas, a menos que todavía haya una fuerza desconocida capaz de aumentar la tasa de aniquilación E incluso entonces, no veríamos tales positrones sin otras señales, a menos que supongamos que esta TM pertenece a una variedad muy sobresaliente. Las teorías sobresalientes son geniales a su manera, pero las partículas TM en tales asuntos no son simples WIMP con supersimetrías que se mencionaron en artículos sobre AMS.
Materia oscura bajo los pies
Vamos a continuar ¿Alguien recuerda el proyecto DAMA (ahora
DAMA / LIBRA )? ¡Afirman que hay evidencia de la existencia de materia oscura durante más de diez años! ¡Y realmente tienen algún tipo de señal! Tal vez de la materia oscura, o tal vez no.
Verás, una de las formas poco fiables de encontrar TM es dejar que te encuentre. Simplemente coloque una rodaja o un barril de material cuidadosamente seleccionado y refinado en el pozo bajo tierra. (El descenso al suelo reduce en gran medida los efectos de los rayos cósmicos, partículas de alta energía del espacio profundo). Dado que el HM debe pasar directamente a través de la materia normal, y rara vez dejar rastros, una corriente de partículas de HM fluirá directamente a través de la piedra, hacia el eje y a través del barril de material. Y si usted es muy, muy paciente, una de estas partículas TM puede chocar con el núcleo atómico dentro de su material, y esta patada puede ser lo suficientemente fuerte como para que pueda detectarla si ha desarrollado un experimento complicado. Esto es exactamente lo que están haciendo DAMA, XENON, CoGeNT, CRESST, CDMS y muchos otros experimentos, y lo han estado haciendo durante bastante tiempo.
Pero hacer esto es más difícil que decir. La radiactividad, un proceso en el que un núcleo atómico cambia su tipo al escupir una o dos partículas de alta energía, puede imitar los efectos de una partícula TM. (Un proceso que imita su "señal", que está tratando de detectar, se denomina "fondo"). El fondo en la detección de partículas TM a menudo es más fuerte que la señal en sí misma, y los experimentadores necesitan comprender todos los fondos posibles muy, muy bien si quieren detectar algo tan pequeño.
Pero ahora, volviendo a DAMA, lo que se puede hacer de una serie de ingeniosas maldiciones. Durante el año, la Tierra se mueve alrededor del Sol, y su velocidad relativa a la velocidad promedio de las partículas TM cambia. Es como si recorrieras la pista de circunvalación en un día ventoso, a veces el viento soplará en tu cara y otras te empujará hacia atrás. Así como la fuerza del viento cambia cuando circula la pista, la velocidad del "viento" del TM cambia durante todo el año. Y si la probabilidad de que las partículas TM interactúen con el núcleo depende de la velocidad relativa de las dos (lo que se hace en muchas variantes de lo que es TM), entonces el número de colisiones con TM medido en el experimento debería aumentar y disminuir con el ciclo por año .
Entonces, en lugar de solo buscar signos de varias colisiones, que podrían ser el resultado de la radiactividad que no entendiste, ¡es posible que debas buscar variaciones en la cantidad de colisiones en el transcurso de un año! Si se convence de que la radioactividad y otros antecedentes por sí solos no pueden tener un ciclo anual, entonces cualquier fluctuación de este tipo es una clara evidencia de TM. Al igual que un ciclista en un viento fuerte siente un viento muy fuerte cuando viaja hacia él, y más débil cuando viaja en la otra dirección, así la Tierra en órbita alrededor del Sol se mueve a una velocidad más alta o más baja en relación con las partículas cercanas de TM durante el año. . Esto puede conducir a una fijación de la cantidad de colisiones con TM, que cambian cíclicamente a lo largo del año.
Desafortunadamente, aunque suene hermoso, los fenómenos de fondo pueden cambiar cíclicamente durante todo el año, posiblemente debido al hecho de que pequeños cambios de temperatura pueden hacer que circulen más o menos gases radiactivos en la mina, o algo así. . Entonces, aunque los datos de DAMA / LIBRA demuestran inequívocamente las fluctuaciones en el número de colisiones de partículas candidatas para TM, todavía no está del todo claro si se trata de TM. Hasta ahora, nadie ha podido confirmar sus señales, pero nadie ha podido demostrar que se trata de una falsa alarma.
DAMA / LIBRA no es el único. Recientemente, el experimento CoGeNT informó el descubrimiento de un exceso de posibles colisiones, cuyo número, como el de DAMA / LIBRA, fluctúa durante todo el año.
Y eso no es todo. El experimento CRESST también informó la fijación de un grupo de candidatos para partículas TM que golpean núcleos atómicos en sus detectores. Hay varios efectos probables que pueden dar candidatos de este tipo, pero, de acuerdo con ellos, si suma todos estos efectos, obtendrá unos 42 candidatos, y ya han visto 67, que es más de 4 desviaciones estándar, esta es una evidencia bastante sólida de que falta algo
Finalmente, otra pista: el experimento CDMS informó la fijación de tres candidatos para colisiones TM en sus piezas de silicio. Tienen detectores basados en silicio y germanio. Se obtuvo un nuevo resultado basado en datos de detectores de silicio. Dado que el núcleo de silicio es mucho más ligero que el núcleo de germanio, el silicio responde mejor a las colisiones con partículas ligeras de HM. ¡Y es muy interesante!
Pero, como afirman cuidadosamente, es casi imposible llamar decisivo el resultado. Es casi seguro que no es el resultado de los efectos de fondo. A primera vista, esto no es obvio; los antecedentes que conocen deben dar, en promedio, solo la mitad de las colisiones, y la posibilidad de obtener estos tres eventos es de aproximadamente el 5%; no es del todo improbable, dada la cantidad de cosas improbables que pueden suceder en el experimento. Pero cuando tienen en cuenta las energías de estos candidatos de colisión, la probabilidad cae al 0.2%. Y luego el asunto se vuelve serio. Pero recuerde: todo esto significa que (a) descubrieron la TM, o (b) descubrieron que la actividad de fondo aún desconocida da una señal falsa.
Si combina los cuatro experimentos, la noticia es buena y mala. La buena noticia es que los cuatro experimentos, DAMA / LIBRA, CRESST, CoGeNT y CDMS, corresponden a partículas TM ubicadas en algún lugar en el rango de 10 GeV / s
2 .
Una noticia moderadamente mala es que las cuatro dimensiones no son consistentes; A partir de la probabilidad de interacción de las partículas TM de una determinada masa, lo siguiente de los experimentos no coincide y varía hasta diez veces. Esto se muestra en la figura a continuación (tomada del
trabajo de CDMS), donde se muestra que las cuatro bandas diferentes asociadas con las observaciones de los cuatro experimentos generalmente no se superponen. Esto significa que al menos dos de estos experimentos deben ser falsas alarmas.
La figura muestra las secciones permisibles e inaceptables (con una precisión del 90%) en función de la masa de la partícula TM (eje horizontal) y el número de interacciones con la materia ordinaria (eje vertical). DAMA / LIBRA, CRESST y CoGeNT se muestran en amarillo, marrón y rosa, respectivamente. Los nuevos resultados de CDMS se dan en cian y azul; El asterisco negro es la mejor aproximación. Tenga en cuenta que no hay puntos donde tres o cuatro secciones se crucen a la vez. En este caso, los resultados del análisis en los experimentos XENON10 y XENON100 excluyen todas las áreas situadas por encima de las líneas verde claro y verde oscuro, que incluyen los otros cuatro experimentos.Muy malas noticias se desprenden de los resultados de otro experimento, que debería (aparentemente) ser más sensible a las partículas de TM de este tipo que cualquier otro de estos experimentos. Me refiero al XENON100. Para la mayoría de las señales en el XENON100, tuvieron que suceder muchos eventos candidatos, docenas o más. Pero hasta ahora solo dos lo han visto. Y resulta que todas estas señales están excluidas por el experimento XENON100, así como por un análisis especial de su predecesor, XENON10. Uno puede discutir sobre el hecho de que los resultados de CoGeNT y CDMS apenas se refutan y, por lo tanto, tal vez aún deberían tomarse en serio.
Pero el hecho aleccionador es que en todos estos experimentos subterráneos, un pequeño fondo no registrado debería manifestarse en forma de varios candidatos adicionales de colisión de baja energía, que se parecerán mucho a lo que se puede esperar de las partículas de baja masa.
Como dijo el profesor Juan Collard, jefe del experimento CoGeNT en la Universidad de Chicago, en una conferencia en el Centro de Ciencias CUNY en Nueva York hace varios años, es probable que la saga sobre encontrar TM sea una larga historia de descubrir un trasfondo inesperado tras otro, y esta historia puede continuar bastante tiempo, hasta que los TM se encuentren, si es que se encuentran, en uno de estos experimentos. Y esto se refleja en las muchas falsas alarmas que hemos visto últimamente. Curiosamente, Collard dejó de hacer tales declaraciones después de que CoGeNT comenzó a recibir una señal que puede interpretarse como TM. Pero recuerda lo que dijiste, Juan. Lo recordamos
Mientras tanto, es por el bien de tales misterios que viven los físicos teóricos. El rompecabezas! Desafío! Invente la teoría TM para que los experimentos CDMS y CoGeNT puedan detectar fácilmente sus efectos, ¡pero XENON100 no puede! Los experimentos funcionan de manera diferente: CDMS y CoGeNT consisten en piezas de silicio y germanio, respectivamente, y los usos de XENON100, ¡una sorpresa! - Un barril de xenón. Ya hay muchos trabajos sobre este tema. Lo más probable es que XENON100 tenga razón, mientras que CDMS y CoGeNT están observando algunos antecedentes. Pero, tal vez, todo será exactamente lo contrario.
Para resumir: tenemos al menos seis alusiones a la existencia de TM, que en su mayor parte no se corresponden entre sí. La nueva sugerencia de CDMS coincide aproximadamente con CoGeNT; pero si ambos ven el TM, ¿por qué el XENON100 no observa una señal fuerte? Todos estos experimentos trabajan para mejorar sus métodos y mediciones, por lo que si algunas de estas sugerencias realmente demuestran ser signos de TM, pronto veremos más ejemplos de evidencia impresionante.