La aniquilación de la materia oscura en el centro galáctico

Por Francisco R. Villatoro, el 18 junio, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Materia oscura • Noticia CPAN • Noticias • Personajes • Physics • Science ✎ 7

Dibujo20140618 Gamma-Ray Signal from the Central Milky Way - Compelling Case for Annihilating Dark Matter

En dirección al centro galáctico, en una gran región de 10°×10°, el telescopio espacial Fermi observa un exceso de rayos gamma con una energía ∼ 1-3 GeV. No se conoce su origen, pero podría ser la aniquilación de partículas WIMP de materia oscura. Por supuesto, en dicho caso hay varias posibilidades. Como nos cuenta Dan Hooper (Fermilab/Univ. Chicago), “Dark Matter Annihilations in the Galactic Center,” Dark Interactions Workshop, BNL, 12 Jun 2014 [PDF slides], parece muy difícil que se trate de púlsares de milisegundos (pues deberían haberse observado señales individuales de algunos de ellos). Sin embargo, otros expertos no están tan seguros como Hooper sobre la materia oscura como explicación.

Dibujo20140618 Galactic Center - 35 GeV dark matter particle annihilating to bottom quarksEn febrero, Hooper y sus colegas propusieron que el origen era la aniquilación en parejas de quarks (bottom-antibottom) de partículas WIMP con una masa ∼ 30-40 GeV/c². En su caso, su densidad decaería como ∼ r−2,5 y su sección eficaz sería de σ ∼ (1,4-2,0) × 10−26 cm³/s (para una densidad local de ∼ 0,3 GeV/cm³). El mejor ajuste (mostrado en la figura) se obtiene para una partícula WIMP con masa 35,25 GeV/c². El artículo técnico es Tansu Daylan et al., “The Characterization of the Gamma-Ray Signal from the Central Milky Way: A Compelling Case for Annihilating Dark Matter,” arXiv:1402.6703 [astro-ph.HE].

Dibujo20140618 galactic center - shape of the gamma-ray spectrum annihilations of 70 GeV dark matter particles into four bottom quarks

Ahora, Hooper y sus colegas nos proponen una partícula WIMP con el doble de masa, unos 70 GeV/c², gracias a un modelo de aniquilación más complicado. Estas partículas se aniquilan en cuartetos de quarks (dos pares bottom-antibottom), vía dos partículas de masa intermedia (en la figura de 10, 40 y 70 GeV/c²). Estas partículas pueden ser “fotones ocultos” con masa (dark photons, hidden photons), asociados a una nueva simetría U'(1), la versión de baja masa del Z’, un nuevo bosón vectorial Z. El artículo técnico es Asher Berlin et al., “Hidden Sector Dark Matter Models for the Galactic Center Gamma-Ray Excess,” arXiv:1405.5204 [hep-ph]. Este artículo nos ofrece otra opción “oculta”.

Dibujo20140618 dark matter annihilations into hidden photons - hidden Higgs

También se podrían aniquilar vía bosones de Higgs ocultos (hidden Higgs) de baja masa, tanto escalares (diagrama de Feynman central), como pseudoescalares (diagrama de Feynman de la derecha). Estos bosones de Higgs son predichos por los modelos supersimétricos (como NMSSM) y su detección en los experimentos del LHC es prácticamente imposible (de ahí que se les llame “ocultos”). Colaboraciones con BaBar y Belle están buscando tanto los fotones ocultos como estos bosones de Higgs ocultos, por ahora sin éxito. Sin embargo, el espacio de parámetros aún no explorado deja huecos para la esperanza.

Dibujo20140618 galactic center - dark matter annihilations into hidden higgs bosons

Esta figura muestra el mejor ajuste del espectro del exceso de rayos gamma en el centro galáctico observado por Fermi gracias a la aniquilación de partículas WIMP con una masa de 70 GeV/c² en bosones de Higgs “ocultos”. Por supuesto, se obtienen ajustes similares con muchas otras alternativas. Quizás demasiadas.

Dibujo20140618 summary simplified models generating observed gamma-ray excess galactic center

La materia oscura es una buena explicación para el exceso respecto a otras hipótesis de carácter astrofísico. Sin embargo, hay muchas alternativas teóricas que permiten explicarlo. Por ello, el exceso de Fermi en el centro galáctico da muy poca información sobre las propiedades de las partículas de materia oscura. Más información en Asher Berlin et al., “Simplified Dark Matter Models for the Galactic Center Gamma-Ray Excess,” arXiv:1404.0022 [hep-ph].

Dibujo20140618 galactic center - fermi excess

El exceso observado por Fermi en el centro galáctico (su centro está en Sgr A* con un error de ~ 0,03°, o unos ~ 5 pc). Además, un exceso enorme, unos 10.000 fotones por metro cúbico y por año con energía mayor de 1 GeV en una región de unos 10° alrededor del centro galáctico. Dan Hooper y sus colegas opinan que este exceso de rayos gamma es la señal directa más firme de que la materia oscura es debida (al menos) a una partícula.

“In my opinion, this gamma-ray excess is – by a significant margin – the most compelling evidence for particle dark matter interactions reported to date.”

No hay explicaciones plausibles diferentes de la materia oscura. La señal no está correlacionado con la distribución de gas, polvo, campos magnéticos, rayos cósmicos, formación estelar o radiación en el centro galáctico. En opinión de Hooper y sus colegas no hay ningún mecanismo alternativo de emisión difusa que pueda explicar el exceso. La explicación astrofísica más obvia es una población de varios miles de púlsares de milisegundos alrededor del centro de la Vía Láctea. Esta población podría dar cuenta del exceso, pero Fermi no ha observado tantas fuentes puntuales como sugiere este hipótesis. Quizás por alguna razón desconocida no los observamos (porque su curva de luminosidad es diferente de la esperada).

En resumen, quizás Hooper tenga razón (lleva años buscando “su” partícula WIMP de baja masa), o quizás no. Sólo el futuro tiene la respuesta. Por fortuna, en mi opinión, no es un futuro muy lejano.



7 Comentarios

  1. Pregunta tonta (o quizá no tanto): ¿Se conoce algún mecanismo por el cual “tus” neutrinos puedan tomar prestada energía de la hermosa cantidad de energía cinética que posee la Vía Láctea?

    No me refiero a la rotación sino al desplazamiento de la Vía Láctea con respecto al CMB. Tengo entendido que la Vía Láctea (de hecho todo el supercúmulo de Virgo) se mueve a unos 600 km/s en dirección al Gran Atractor.

    ¿Hay alguna interacción capaz de aprovechar ese potencial?

    Saludos.

  2. Alejándome de la física cuántica (de la cual no se nada) y yéndome más al terreno de la especulación. Si efectivamente, la materia oscura puede aniquilarse entre sí y generar cantidades de energía mayores que las que se genera en masas similares de materia bariónica ¿no sería la materia oscura la máxima fuente de energía de la que pudiese hacer uso una civilización K3?

    Como ya avisé, no se nada, sólo estoy especulando.

    1. Miguel, no hay diferencia entre la energía producida por la aniquilación materia-antimateria bariónica y la aniquilación materia-antimateria oscura. La energía producida depende sólo de la energía (masa más cinética) de las partículas que se aniquilen.

  3. Como se hace en los cientos de Teorías de Cuerdas, teorías Supersimétricas, Partículas Wimp, y otras modernas, cuando no se encuentra NADA, entonces se recurre a Fotones, Bosones, etc, OCULTOS, vacíos cósmicos de los que sale energía, Neutrinos Estériles, Materia Oscura que deja de serlo en cuanto la detectemos, Ondas gravitatorias con MASA ELECTROMAGNÉTICA, Agujeros Negros inexistentes, Teorías gravitatorias tipo Galileon, y cuanto sea necesario para que la teoría del momento cuadre……….entonces, cualquier teoría cuadrará, SIEMPRE, con la consecuencia de entrar en un camino exponencial de teorías, que solo contribuyen a la confusión creciente de estudiantes, y personas que comienzan a interesarse por la Astrofísica.-Si quieres, puedes publicar este comentario
    Un cordial saludo

    1. No entiendo tu comentario, Julián. ¿Eres un estudiante confundido? En ciencia, en toda las ciencias, se proponen hipótesis, se diseñan experimentos para contrastarlas y se recopilan pruebas a favor y en contra de dichas hipótesis. ¿Por qué afirmas que hacerlo en física teórica produce confusión entre los estudiantes? La gente tiene que saber lo que es la ciencia y cómo funciona.

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