Xenon1T publica su primer resultado sobre materia oscura

Dibujo20170523 xenon1t spin independent wimp nulceon cross sections limtis arxiv 1705 06655

XENON1T busca partículas de materia oscura usando una tonelada de xenón líquido (1042 ± 12 kg). En tan solo 34,2 días ha obtenido un resultado un poco mejor al de LUX (que con 129,5 kg de xenón líquido había logrado el mejor límite hasta ahora). Se trata del detector más sensible del mundo para partículas WIMP con una masa de unos 20 GeV. Por supuesto, el nuevo límite de exclusión es para la interacción independiente del espín entre partículas WIMP y nucleones (protones y neutrones); para la interacción dependiente del espín (que es diferente para protones y neutrones), el mejor límite sigue siendo el último de LUX (que también se acaba de publicar).

La Colaboración XENON está formada por 135 investigadores (la mayoría europeos, aunque ninguno afiliado en España). En el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, Italia, Xenon1T tomará datos hasta 2022. Lo más importante del nuevo resultado es que el funcionamiento de los detectores ha sido excelente. Basta comparar su resultado con el de Xenon100 para darse cuenta de las grandes mejoras en sensibilidad alcanzadas. Por cierto, se tomó datos entre el 22 de noviembre de 2016 y el 18 de enero de 2017, porque este último día hubo un terremoto que interrumpió la operación del detector. Tras el terremoto se reanudó la toma de datos, que sigue su curso.

El nuevo límite de XENON1T se ha publicado en XENON Collaboration, “First Dark Matter Search Results from the XENON1T Experiment,” arXiv:1705.06655 [astro-ph.CO]; el límite de LUX ya fue noticia en este blog, “LUX publica su nuevo límite de exclusión para la materia oscura”, LCMF, 21 Jul 2016. LUX ha publicado un nuevo límite para la interacción dependiente del espín en LUX Collaboration, “Limits on spin-dependent WIMP-nucleon cross section obtained from the complete LUX exposure,” arXiv:1705.03380 [astro-ph.CO]. El último resultado de XENON100 en este caso se ha publicado en XENON Collaboration, “Search for WIMP Inelastic Scattering off Xenon Nuclei with XENON100,” arXiv:1705.05830 [hep-ex].

Dibujo20170523 lux spin-dependent wimp nulceon cross sections limtis arxiv 1705 03380

Los experimentos de búsqueda directa de la materia oscura, como XENON1T y LUX, buscan partículas WIMP con masa en la escala GeV (más o menos entre 10 GeV y 10 TeV). Como el borracho del chiste, que busca las llaves bajo la luz de la farola porque su portal está a oscuras, estos experimentos buscan partículas WIMP en el rango de masas de los átomos. El borracho no puede afirmar que sus llaves no existan porque no las encuentre bajo la farola, ya que se le cayeron en el portal. De igual forma, no podemos afirmar que la ausencia de una señal en experimentos como XENON1T y LUX sea una prueba de que las partículas WIMP no existen. La búsqueda debe continuar.

14 Comentarios

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Alvaro VerdionAlvaro Verdion

En terminos relativos, en que punto estamos con respecto a la materia oscura?
Hay que empezar a buscar otra explicación o aún hay recorrido para encontrarla por medios ‘convencionales’?

Francisco R. Villatoro

Álvaro, todo el mundo quiere encontrar la patricia ya, pero así no funciona la ciencia; hay que explorar todos los huecos y son ingentes. La búsqueda directa usando átomos todavía tiene hueco que explorar hasta entre 2022 y 2025; otras búsquedas están empezando a dar sus primeros pasos y quedan muchas décadas hasta que sean conclusivas. Y, por supuesto, aún así habrá multitud de huecos que no se podrán explorar en el siglo XXI. Quizás la partícula de materia oscura sea descubierta en el siglo XXII.

Ha costado siglos conocer la naturaleza microscópica del 4% del universo, ¿por qué conocer la del 20% debe costar sólo décadas? En serio, llevamos buscando solo unos 20 años (aunque los pioneros son de hace 30 años). ¡Muy poco tiempo!

Alvaro VerdionAlvaro Verdion

Con el higgs que desde que teorizo hasta que tuvimos un cacharro que lo detectara pasaron decadas pero se sabia por donde debia andar, no?
Con la materia oscura parece que vamos un poco a ciegas a ver que hay por ahí.
Leí porahí que con los candidatos actuales, la tecnología actual deberia ser capaz de detectarlo.¿ hasta donde es cierto eso?

Francisco R. Villatoro

Alvaro, no sé si recuerdas que en 2011 se decía que el Higgs quizás no existía (hasta Hawking lo decía), pero en 2012 se anunció su descubrimiento. Sabíamos que el campo de Higgs existía (los Premio Nobel de Física de 1979 y de 1984 son premios a su existencia). Sin embargo, no sabíamos si la partícula de Higgs existía o no existía. Tampoco sabíamos qué masa podría tener. En 1980 podía ser de unos pocos GeV hasta cercana a la escala de Planck. Sobre el año 1990 se pensaba que sería entre unos 50 GeV y unos 100 TeV. Sobre el año 2000 se pesaba que estaría entre unos 100 GeV y unos 10 TeV. Sobre el año 2010 se pensaba que estaba entre 114 GeV y, había división, unos decían que menos de 1 TeV y otros que menos de unos 5 TeV. A finales del año 2011 se sabía que estaba entre unos 115 GeV y unos 140 GeV, o bien entre unos 600 GeV y unos 5 TeV. Finalmente se descubrió con una masa de 125 GeV.

La gran diferencia entre el Higgs y la materia oscura es que para el Higgs ya habíamos estudiado en detalle el campo de Higgs de forma indirecta gracias a los bosones Z y W. Sin embargo, con la materia oscura la observación gravitacional es extremadamente indirecta y ofrece poca información sobre el campo o campos responsables (y muy poco sobre las correspondientes partículas).

El llamado “milagro WIMP” afirma, entre otras cosas, que la partícula de materia oscura interacciona con la materia ordinaria gracias a la interacción débil (esto puede ser verdad o no). La tecnología actual busca la interacción vía el bosón Z (ahora está descartada desde un acoplamiento igual a 1 hasta más o menos 0,001) y vía el Higgs (ahora se está descartando el rango de acoplamientos entre 1 y más o menos 0,1). Nada impide que la interacción sea más complicada (vía dos bosones Z, por ejemplo), que será estudiada en futuros experimentos en la próxima década. Y por supuesto nada obliga a que la partícula de materia oscura interaccione débilmente con la materia ordinaria (los axiones, neutrinos estériles, etc. no lo hacen y son candidatos tan firmes como las WIMPs).

En resumen, la ciencia es búsqueda. Y la búsqueda fácil da lugar a ciencia aburrida. La ciencia apasionante siempre está asociada a las búsquedas difíciles. La materia oscura nos apasiona porque cuesta desvelar sus secretos.

MiguelCMMiguelCM

Bueno pues si ese el marco de tiempo con el que están cómodos, creo que entonces está claro que parece obligatorio dedicar esos posibles 100 años de búsqueda de materia oscura a escudriñar tambien posibles alternativas a la materia oscura, ya que hay que explorar todas las posibilidades. Sería una perdida de tiempo tremendo que al final no se encuentre ninguna partícula y que no se intente nada mientras tanto.

Saludos!

U-95U-95

Alternativas que puedan explicar lo que se explica con la materia oscura de manera sencilla -las MOND y similares, que yo sepa, tienen algunos problemas para explicar la estructura a gran escala del Universo e incluso estoy seguro de que los momentos iniciales del Universo habrían sido muy distintos si las MOND fueran reales.

FRANCISCO REGLERO SARMENTEROFRANCISCO REGLERO SARMENTERO

El símil del chiste es muy bueno y a ajustado, espero que no te haya traicionado el subconsciente.

fisivi

Si una partícula de materia ordinaria viajara a una velocidad casi igual a la de la luz por el espacio casi vacío entre galaxias, al pasar cerca de la materia de una galaxia ¿ejercería una atracción gravitatoria inmensamente mayor que si estuviera en reposo respecto a la galaxia?

Francisco R. Villatoro

Fisivi, una partícula ultrarrelativista (cuya velocidad es próxima a la velocidad de la luz en el vacío) tiene una energía E = p c >> m c², es decir, se comporta como si su masa fuera nula, como la de un fotón; esta partícula genera el mismo campo gravitacional que generaría un fotón con su misma energía. Por supuesto, si E es “inmensamente mayor” que m c², ejerce una atracción gravitatoria “inmensamente mayor”. Pero no olvides que una partícula no puede tener una energía mayor que la energía de Planck (a esta energía se transforma en un agujero negro microscópico); y recuerda que la energía de Planck equivale a unos 22 microgramos de masa.

fisivi

Muchas gracias por la respuesta. No tengo suficientes conocimientos para entenderla del todo. Tengo una vaga idea sobre la relatividad, según la cual la masa aparente de un objeto aumenta enormemente respecto al observador si el objeto se mueve a una velocidad cercana a la de la luz en relación al observador.
Me surge la duda de si dos protones que viajaran juntos a esa velocidad respecto a una galaxia se verían entre sí como agujeros negros microscópicos aunque la velocidad entre ellos fuese nula.

Francisco R. Villatoro

Fisivi, las ideas actuales sobre la gravedad cuántica son cuasiclásicas (pues no conocemos aún una teoría de la gravitación cuántica con la que realizar los cálculos); los argumentos cuasiclásicos indican que un protón (siendo una partícula compuesta) no puede alcanzar una energía cinética de Planck. Asumiendo tu idea con electrones, las ideas cuasiclásicas indican que cada electrón al aproximarse a la energía de Planck se reviste (rodea) de gravitones y aparece un horizonte de sucesos; desde el punto de vista del otro electrón, incluso en reposo relativo, se “congela en el tiempo” (como corresponde a haberse transformado en un agujero negro). Por supuesto, ignoramos qué predice en dicho caso la futura teoría cuántica de la gravitación y cómo se comportan los agujeros negros microscópicos en dicha teoría.

AlbertAlbert

fisivi, según tengo entendido, la capacidad de un objeto para convertirse en agujero negro no depende de su masa aparente, sino de su masa invariante, (masa en reposo). Si dependiese de su masa aparente, podríamos ver convertirse en agujero negro una estrella cualquiera, simplemente alejándonos de ella en un cohete a gran velocidad.
http://forum.lawebdefisica.com/threa...#post168450
Saludos.

Francisco R. Villatoro

Albert, el concepto de “masa aparente” es obsoleto y ningún físico lo usa hoy en día (salvo al discutir la historia de la Física); la gravitación de Einstein no depende de la masa, a diferencia de la gravitación de Newton, sino de la energía y del momento vía el tensor energía-momento (la masa no aparece de forma explícita en la ecuación de Einstein); las partículas sin masa, como el fotón, gravitan (hoy en día afirmar que un fotón tiene “masa aparente” se considera obsoleto y propio de libros de texto de la primera mitad del siglo XX).

AlbertAlbert

Gracias Francis, absolutamente de acuerdo con que lo de “masa aparente” está obsoleto. Si lo he escrito ha sido sólo por repetir lo que aparece en la frase de fisivi:
“…Tengo una vaga idea sobre la relatividad, según la cual la masa aparente de un objeto aumenta enormemente respecto al observador si el objeto se mueve a una velocidad cercana a la de la luz en relación al observador…”
para aportarle la idea, de que por mucho que vea correr un objeto, eso no lo va a convertir en agujero negro.
Fíjate si me gusta poco el concepto de “masa aparente” que hace poco dije de él que “fa mes nosa que servei = molesta más que ayuda”
http://forum.lawebdefisica.com/threa...#post160624
Saludos.

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