Una buena explicación sin materia oscura de la anomalía DAMA/LIBRA

Dibujo20140707 The DAMA signal is composed of neutrons liberated in the material surrounding the detector by both solar neutrinos (dotted) and atmospheric muons (dashed) - arxiv

El experimento DAMA/LIBRA ha observado una señal con 9,2 σ que varía anualmente. Nadie conoce su origen. Podría ser la materia oscura, pero Johathan H. Davis (Univ. Durham, Reino Unido) nos propone una hipótesis alternativa. La señal sería debido a neutrones que son liberados en el material que rodea el detector tras la colisión con neutrinos solares y con muones atmosféricos. La modulación combinada de ambos fenómenos ajusta tan bien la señal observada como una posible partícula de materia oscura.

El problema de explicar la señal gracias a la materia oscura es que la masa y la sección eficaz de la partícula WIMP necesaria está excluida por otros experimentos de búsqueda directa (que ya deberían haberla observado). Por ello me parece muy prometedora la nueva propuesta de Jonathan H. Davis, “Fitting the annual modulation in DAMA with neutrons from muons and neutrinos,” arXiv:1407.1052 [hep-ph].

Ver al final una actualización gracias a @elcafecuantico que ha entrevistado a Riccardo Cerulli en el ICHEP2014.

[PS 24 Aug 2014]: El artículo técnico se ha publicado como Jonathan H. Davis, “Fitting the Annual Modulation in DAMA with Neutrons from Muons and Neutrinos,” Phys. Rev. Lett. 113: 081302, 21 August 2014. Ver también Katherine Kornei, “Synopsis: Dark Matter or Neutrons?,” Physics, 21 Aug 2014.

[PS 25 Mar 2015]: Recomiendo leer también a J. Klinger, V. A. Kudryavtsev, “Muon-induced neutrons do not explain the DAMA data,” Accepted in PRL, arXiv:1503.07225 [hep-ph]. Calcula que la contribución de los muoens inducidos por los neutrones es menor del 0,3% de la señal de DAMA.

Dibujo20140707 Comparison models DAMA data - neutrons - dark matter - arxiv

Esta figura compara la señal observada (puntos rojos con barras de error) con su explicación mediante materia oscura (línea negra punteada) y mediante neutrones originados por la colisión de neutrinos y muones (línea turquesa continua). Varios físicos han propuesto explicar la señal DAMA/LIBRA mediante neutrones generados en las paredes del detector por la colisión de muones atmosféricos, pero la señal presenta un retraso de unos 30 días (línea azul a trazos) respecto a la predicción mediante materia oscura. Por ello, Davis nos propone incluir el efecto de los neutrinos solares. Para su propia sorpresa el ajuste es excelente.

Dibujo20140707 dama-libra gran sasso

El experimento DAMA/LIBRA (antes llamado DAMA/NaI) se encuentra en el Laboratorio Subterráneo de Gran Sasso, Italia. El experimento pretende observar la interacción de partículas de materia oscura del halo galáctico con núcleos atómicos en 250 kg de NaI que muestran un retroceso en los núcleos con una energía en el rango de los keV. Conforme la Tierra orbita alrededor del Sol atraviesa el halo galáctico de materia oscura en dos direcciones diferentes, con lo que se espera una modulación anual de la señal de interacción entre la materia oscura y el detector. Desde el año 2001 DAMA/LIBRA ha observado dicha modulación con una certeza estadística de 9,2 sigmas (desviaciones típicas).

Sin embargo, para explicar con materia oscura dicha modulación se requiere una partícula con una masa de unos 10 GeV/c² que interaccione con los nucleones del núcleo con una sección eficaz de 2 × 10−40 cm². Otros experimentos de búsqueda directa de la materia oscura, como CDEX, CDMS-II, EDELWEISS-II, LUX, SuperCDMS, XENON10 y XENON100 descartan la existencia de una partícula con dichas propiedades. O bien la interacción entre dicha partícula y el nucléon es exótica (no entraré en detalles, pero puede serlo de varias maneras para escapar de su detección por estos experimentos), o bien la modulación DAMA/LIBRA tiene una explicación alternativa (no es debida a la materia oscura sino a otro fenómeno).

La modulación del flujo de muones atmosféricos debida a los cambios anuales de temperatura en la estratosfera podría explicar la señal de DAMA/LIBRA (John P. Ralston, “One Model Explains DAMA/LIBRA, CoGENT, CDMS, and XENON,” arXiv:1006.5255 [hep-ph], y Kfir Blum, “DAMA vs. the annually modulated muon background,” arXiv:1110.0857 [astro-ph.HE]). Sin embargo, hay un problema grave con esta explicación. La modulación de la señal debida a los muones atmosféricos está desfasada en 30 días respecto a la señal observada. ¿Cómo explicar este desfase mensual?

La solución propuesta por Davis es añadir una nueva fuente de neutrones (además de la producida por los muones atmosféricos). La más obvia son los neutrinos solares generados por la desintegración del boro (8B). Sorprendentemente, añadir esta señal a la de los muones permite ajustar perfectamente la modulación anual DAMA/LIBRA. Un duro varapalo para la explicación basada en la materia oscura.

Por supuesto, una hipótesis sugerente que explica a la perfección ciertos datos experimentales no es suficiente. Hay que realizar un análisis detallado mediante métodos de Montecarlo del detector DAMA/LIBRA con objeto de verificar que dicha hipótesis es realista. Quienes mejor pueden realizar dicho análisis son los miembros de la colaboración DAMA/LIBRA. Hasta que ellos no estudien en detalle la nueva hipótesis es prematuro afirmar que los neutrones explican la señal observada. Por ello habrá que estar al tanto de nuevas noticias sobre esta explicación en los próximos meses.

PS (08 Jul 2014): Los amigos del Podcast de Café Cuántico, que recomiendo a todos, están en el ICHEP2014 realizando algunas entrevistas para el programa. Me comentaron en Twitter que habían hablado con Riccardo Cerulli (DAMA/LIBRA) y que les dijo que la hipótesis de Davis ya había sido rechazada (tuit): “Pues ha hablado, y anda que ha hablado. Según él, esa hipótesis ya se había rechazado previamente. Me ha citado varios papers.”

Dibujo20140708 phase - muons - lngs - eur phys j c

La colaboración DAMA/LIBRA rechazó la hipótesis de los neutrones inducidos por muones en el artículo R. Bernabei et al. (DAMA/LIBRA), “No role for muons in the DAMA annual modulation results,” Eur. Phys. J. C 72: 2064, 2012 (open access; arXiv:1202.4179 [astro-ph.GA]), y en R. Bernabei et al., “Dark Matter Investigation by DAMA at Gran Sasso,” International Journal of Modern Physics A 28: 1330022, 2013 (arXiv:1306.1411 [astro-ph.GA]).

El flujo de muones en LNGS ha sido medido por varios experimentos, siendo insuficiente para explicar la modulación observada en DAMA/LIBRA. Además, afectarían al espectro de energía. Y por supuesto también está la diferencia de fase ya indicada más arriba en esta entrada.

En cuanto al flujo de neutrinos, parece ser insuficiente para tener una influencia en el detector (como nos indican en R. Bernabei et al., “First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI,” Eur. Phys. J. C 56: 333-355, 2008 (arXiv:0804.2741 [astro-ph]). Más en detalle, el efecto despreciable de los neutrinos solares producidos por el boro-8 sobre el detector se estimó hace mucho tiempo, en R. Bernabei et al., “A multiton low activity NaI(Tl) detector for underground physics,” Astroparticle Physics 4: 45-54, 1995.


1 Comentario

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lenileni

Podria ser que la señal detectada sea proveniente de las dos fuentes (neutrinos solares y materia oscura)?? Si estos neutrinos solares no los han tenido en cuenta hasta ahora (que es lo que parece), quizas este primer modelo no es correcto el todo y calculan una señal mas grande que la real. Y si parte de la señal es por los neutrinos, la parte que le corresponde a materia oscura quizas pueda ser explicado con particulas WIMPs de menor seccion eficaz y/o masa diferente, particulas que los otros experimentos quizas no los han descartado todavia….. Que opinas?

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