La búsqueda de la partícula de materia oscura en el LHC del CERN

Dibujo20140819 cms event - missing energy - PR040413 lhc - discover magazine

Sabemos que la materia oscura existe y cómo influye en el universo, pero no sabemos lo que es. Los físicos de partículas apuestan por una nueva partícula y la buscan en las colisiones del LHC en el CERN. Como en el caso de los neutrinos, se observará como energía perdida (o faltante) en ciertas colisiones. La señal es muy clara y fácil de identificar.

Tanto ATLAS como CMS han buscado estas partículas sin éxito. Los límites de exclusión que han obtenido hasta ahora son comparables (aunque algo peores) con los obtenidos por los experimentos de búsqueda directa. De hecho, mejorarán bastante con las colisiones a 13 TeV c.m. del año 2015.

La situación actual nos la cuentan en CMS Collaboration, “Search for dark matter, extra dimensions, and unparticles in monojet events in proton-proton collisions at sqrt(s) = 8 TeV,” arXiv:1408.3583 [hep-ex], y en ATLAS Collaboration, “Search for new particles in events with one lepton and missing transverse momentum in pp collisions at s√ = 8 TeV with the ATLAS detector,” arXiv:1407.7494 [hep-ex]. Un resumen del primer artículo en Tommaso Dorigo, “Tight Constraints On Dark Matter From CMS,” A Quantum Diaries Survivor, 18 Aug 2014.

Las colaboraciones CMS y ATLAS con colisiones protón contra protón a 8 TeV c.m. en el LHC pueden buscar partículas de materia oscura con una masa entre 1 GeV y 1000 GeV (1 TeV). Para ello asumen un modelo efectivo para la interacción entre estas posibles partículas aún no descubiertas y las ya conocidas. Lo usual es buscar una partícula WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), una partícula neutra que interacciona débilmente con las partículas conocidas, por ejemplo, un neutralino, la partícula supersimétrica neutra de menor masa. Hay otras posibilidades, pero no todas ellas se pueden explorar en el LHC del CERN.

Dibujo20140819 Upper limits DM-nucleon cross section - cms lhc cern

Esta figura muestra los límites de exclusión obtenidos por la colaboración CMS al 90% CL tanto para una interacción independiente del espín (figura izquierda) como para una dependiente del espín (figura derecha).

Dibujo20140819 Upper limits DM-nucleon cross section - atlas lhc cern

Esta figura muestra los límites de exclusión obtenidos por la colaboración ATLAS al 90% CL tanto para una interacción independiente del espín (figura izquierda) como para una dependiente del espín (figura derecha).

Por ahora no hay ningún indicio de la existencia de partículas de materia oscura en las colisiones de CMS y ATLAS (cuyos resultados respectivos son comparables entre sí). Los límites de exclusión mejorarán bastante cuando se incremente la energía del LHC a 13 TeV c.m. Sin embargo, el “milagro de las WIMP” permite ajustar de forma simultánea la sección eficaz (cross-section) de interacción entre la materia oscura y la ordinaria, y la densidad primordial de partículas de materia oscura para eludir (casi) cualquier límite de exclusión.

La materia oscura se puede “esconder” de formas muy sutiles en las colisiones del LHC. De hecho, excluir una partícula WIMP con cierta masa como partícula de materia oscura es excluir sólo un posible candidato más allá del modelo estándar. Hay muchos otros no afectados por dichos límites. Más aún, algunos físicos preferimos que la materia oscura tenga su explicación dentro del modelo estándar (por ejemplo, gracias a los axiones, predichos en 1977 por Peccei y Quinn para explicar la conservación de la simetría CP en la cromodinámica cuántica).

No se pueden buscar todos los candidatos posibles a partículas de materia oscura en el LHC. Pero aunque la búsqueda se centre en lo más fácil, las partículas WIMP, no se debe despreciar la importancia de obtener nuevos límites de exclusión conforme la energía de las colisiones vaya creciendo. La sorpresa y su recompensa pueden aparecer en cualquier momento.

7 Comentarios

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renecoreneco

No es que se dé por hecho, sino que es el camino mas rápido como hipótesis, no se puede dar por hecho algo que no se conoce.

planck

No cabe duda de que habitamos en un Universo fascinante y “extraño”. Por un lado es un “Universo fantasma” puesto que el 70% de la energía que lo compone está almacenada en la propia estructura del espacio-tiempo. No sabemos de que está compuesto el espacio-tiempo pero sabemos que está lleno de campos cuánticos, que posee una energía y que se “dilata y se contrae” dependiendo de la cantidad de masa-energía que hay en el entorno. El otro 26% probablemente esté constituido por partículas fantasma que apenas interaccionan con el ridículo 4% del resto de materia del cual estamos hechos nosotros y nuestros detectores. Podemos decir que ¡no sabemos de que está compuesto el 96% del Universo!
Por otro lado solo tenemos acceso a una parte muy pequeña de nuestro Universo, la inflación nos asegura que nuestro Universo visible es solo una pequeñísima parte del total. Además, con toda seguridad, nuestro Universo debe contener un gran número de “objetos extraños” que aún no hemos detectado: cuerdas cósmicas, monopolos magnéticos, agujeros negros primordiales, agujeros blancos, defectos topológicos, instantones, ¿axiones?, ¿partículas supersimétricas?, ¿dimensiones ocultas?, ¿neutrinos estériles? , ¿Alice strings?, etc, etc. Aunque probablemente la inflación los ha diluido y alejado de nuestro alcance, si existen, la ciencia los encontrará.
Por último, para animar más la cosa (o empeorar según a quien preguntes) nuestro Universo probablemente solo es uno entre un inmenso abanico de Universos dentro de un Multiverso inflacionario. Aunque suene a ciencia ficción en el Multiverso debería haber de todo, incluso Universos en los que las leyes de la Física permitan la aparición de organismos conscientes muy inteligentes que desarrollen la tecnología de viajar por el Multiverso o incluso Universos en los que Belén Esteban es profesora de teoría cuántica de campos 😀
Resumiendo: tenemos a nuestro alrededor un mundo fascinante que explorar y la ciencia va a explorarlo por todos los medios a su alcance, ya sea directamente o indirectamente. La pena es que solo un porcentaje muy pequeño de la población está interesada en “estas cosas tan raras” y se limitan a pasar por la vida sin entender de que está compuesto el mundo que les rodea y eso a pesar de la inmensa labor de Francis al que me temo pocos entienden (no hay más que leer los comentarios de sus artículos en meneame :D). Por supuesto, los que somos asiduos de esta página le agradecemos enormemente su labor y le animamos a que siga en esta linea y nos narre en directo todos los trascendentales descubrimientos que están por llegar.

planck

En Física no se da nada por hecho. La materia oscura fría es parte indispensable del modelo cosmológico estándar (el modelo Lambda-CDM) que es el que mejor explica la evolución del Universo, la formación de las galaxias, el patrón de rotación de las estrellas de las galaxias, la estructura a gran escala del Universo, etc, etc. Además la existencia de materia oscura ha sido confirmada por todos los satélites que estudian el CMB. Como ves, la MO no es una invención de los Físicos, su existencia se apoya sobre pilares muy sólidos.

josejuan

Planck, en absoluto queriendo contradecir (que no lo hace) el sentido coloquial de tu comentario, permite un pequeño apunte, pues me sorprendió leer “En Física no se da nada por hecho”, en *TODO* debe haber unos postulados (o eso, o somos omniscientes).

Por *ejemplo*

http://es.wikipedia.org/wiki/Postula...%C3%A1ntica

(hablo desde la curiosa ignorancia que tenemos los no expertos en el tema)

planck

Cierto Josejuan. Aunque los españoles somos los únicos que somos omniscientes por que sabemos “de to” y opinamos “de to” 😀

PacoPaco

Hola,

Yo hace tiempo que tengo una duda/pregunta… ¿No os parece que …?

[EDITADO POR FRANCIS] No confundas a los lectores de esta entrada.

marco nalvarte vizcarramarco nalvarte vizcarra

realmente me interesa bastante esta información …no me atrevo siquiera a opinar ,pero si los leo con muchas ganas.
saludos a todos
gracias

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