La señal del amanecer cósmico de EDGES se explica si el 1% de la materia oscura son partículas minicargadas

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Los seguidores del podcast Coffee Break: Señal y Ruido conocen bien la chispa de las ideas de Abraham Loeb (Univ. Harvard, EE UU). La polémica señal a 21 cm del amanecer cósmico observada por EDGES es incompatible con el modelo cosmológico de consenso. Publicada en Nature a pesar de la polémica asociada, se ha abierto la veda para publicar en dicha revista artículos especulativos que explican dicha señal usando materia oscura exótica. Julián B. Muñoz (Univ. Harvard) y Loeb proponen que el 1% de la materia oscura está formada por partículas con una pequeña carga eléctrica; en concreto, su carga estaría entre 10−7 y 10−9 veces la carga eléctrica del electrón (q). Gracias a esta idea Loebiana se salva el modelo cosmológico de consenso y se explica la señal anómala de EDGES. Por supuesto, hasta que no haya confirmación independiente, la señal de EDGES debe ser puesta en cuarentena.

Por cierto, el 100% de la materia oscura no puede estar formado por partículas con carga eléctrica (salvo que su carga eléctrica ϵ q sea pequeña en extremo respecto a su masa, ϵ/m ≤ 5 × 10−16 /MeV, donde m es la masa de dicha partícula. Los límites actuales para la materia oscura permiten salvar la propuesta de Loeb para el 1% de materia oscura para partículas con masa entre 3 MeV y 1000 MeV (1 GeV). Como no hay experimentos en curso buscando partículas de materia oscura de tan baja masa, y menos aún con una carga eléctrica muy pequeña, la propuesta de Muñoz y Loeb se cuela entre las especulaciones que explican el problema del amanecer cósmico usando materia oscura. Y les recuerda a los físicos jóvenes que pueden publicar en Nature nuevas explicaciones en esta línea… al menos con coautores prestigiosos como Loeb. ¡Loebianos a Nature!

El artículo es Julian B. Muñoz, Abraham Loeb, “A small amount of mini-charged dark matter could cool the baryons in the early Universe,” Nature 557: 684–686 (30 May 2018), doi: 10.1038/s41586-018-0151-x, arXiv:1802.10094 [astro-ph.CO]; también recomiendo Julián B. Muñoz, Cora Dvorkin, Abraham Loeb, “21-cm Fluctuations from Charged Dark Matter,” arXiv:1804.01092 [astro-ph.CO], que afirma que esta nueva materia oscura minicargada podría ofrecer una señal en interferómetros LOFAR y HERA.

Sobre la señal del amanecer cósmico de EDGES en este blog puedes leer “Posible efecto de la materia oscura sobre la formación de las primeras estrellas”, LCMF, 01 Mar 2018, y “José Miguel Jáuregui: EDGES, la señal cosmológica a 78 MHz y el “amanecer cósmico”,” LCMF, 05 Mar 2018.

[PS 01 Jun 2018] Recomiendo la presentación de Adam Falkowski, “Dark matter effects on 21cm absorption,” IRN Terascale@Strasbourg, Strasbourg, 31 May 2018 [PDF slides]. La observación de EDGES implica un cambio de temperatura en el amanecer cósmico de ΔT = −o.5 −0.5 +0.2 K, cuando el modelo estándar predice ΔT = −o.15 K. Hasta que no se confirme de forma independiente en los próximos años (por PRIZM, LEDA, DARE, SARAS2, HERA, LOFAR, MWA, o SKA), debemos ser muy cautos (pues podría tratarse de un nuevo BICEP2). [/PS]

Dibujo20180530 brightness temperature of 21-cm emission as a function of redshift nature 41586_2018_151

Te recuerdo que el experimento EDGES, en Australia, ha estudiado la emisión a 21 cm del universo temprano y ha observado que el universo era más frío para z ≈ 17 (con unos 180 millones de años) de lo que predice el modelo cosmológico de consenso; publicado en Nature junto a una explicación basada en materia oscura exótica, este resultado ha sido puesto en entredicho por muchos expertos (que opinan que su fuente son errores sistemáticos en la medida).

Dibujo20180530 amplitude 21 cm temperature power spectrum lofar hera arxiv 1804 01092

Un 1% materia oscura formado por una partícula minicargada de masa en la escala MeV escapa a todas las búsquedas actuales. Además, es imposible de observar usando los colisionadores de partículas actuales. Por ello, la única posibilidad de observarla es mediante sus efectos a escala cosmológica. Por ejemplo, su efecto sobre las oscilaciones acústicas bariónicas. Julián B. Muñoz, su supervisora en Harvard, Cora Dvorkin y, como no, Abraham Loeb han publicado una estimación de este efecto. Su conclusión es relevante, pues se sugiere que si la contribución hubiera sido superior al 2% sería observable gracias a los interferómetros LOFAR y HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array). Mejoras futuras podrían observar la señal para menos de un 1%.

Para acabar, permíteme una cuestión de prensa rosa. Quizás lo que más me ha llamado la atención del nuevo trabajo en Nature es que su primer autor es un joven español, que estudió en la Universidad Complutense de Madrid, y pasó un verano como estudiante de grado en el Instituto de Astrofísica de Canarias, que ahora es postdoc en la Univ. Harvard, desde agosto de 2017. Por cierto, hay un artículo que firma como Julián Muñoz Bermejo (con Andrés Asensio, ‏@aasensior, tertuliano de Coffee Break: Señal y Ruido, como coautor); en el resto de sus artículos firma como Julián B. Muñoz (quizás porque se ordenaron mal sus apellidos en Julián Muñoz Bermejo, Andrés Asensio Ramos, Carlos Allende Prieto, “A PCA approach to stellar effective temperatures,” Astronomy & Astrophysics 553: A95 (2013), doi: 10.1051/0004-6361/201220961, arXiv:1303.7218 [astro-ph.SR]).


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