El experimento Xenon100 no ha encontrado evidencia de la materia oscura

Por Francisco R. Villatoro, el 14 abril, 2011. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Materia oscura • Noticias • Physics • Science ✎ 13

Malas noticias. El resultado más esperado sobre la materia oscura en la primavera de 2011 es negativo, lo que ha decepcionado a algunos y habrá alegrado a otros. El experimento XENON100 del Laboratorio Nacional de Gran Sasso, Italia, que realiza una búsqueda directa de la materia oscura, ha publicado los resultados de sus primeros 100’9 días de búsqueda (entre enero y junio de 2010). No se ha encontrado la materia oscura aunque se han observado tres eventos candidatos, cuando se esperaba encontrar sólo dos (el fondo es de 1’8 ± 0’6 eventos). No todo son malas noticias. XENON100 ha determinado los límites más restrictivos hasta el momento para las propiedades de la materia oscura (que descartan parte del espacio de parámetros que podrá explorar el LHC del CERN). La interacción entre las partículas de materia oscura y la materia ordinaria (bariónica) es mucho menor de lo esperado por los teóricos. Como muestra la figura de arriba, la sección eficaz de colisión de una partícula WIMP con una masa de 50 GeV/c² y un nucleón (protón o neutrón) es menor de 7’0 × 10–45 cm² al 90% de confianza. El límite no es tan estricto para masas mayores de 100 GeV/c² por la presencia de los tres eventos candidatos. Aún así, las cosas se ponen duras para la búsqueda de la materia oscura. Para los interesados en los detalles técnicos el artículo es E. Aprile et al. (XENON100 Collaboration), “Dark Matter Results from 100 Live Days of XENON100 Data,” ArXiv, 13 Apr 2011.

Las partículas WIMP (partícula masivas que interactúan débilmente o Weakly Interacting Massive Particles) son el candidato más firme a la materia oscura del universo según la mayoría de los teóricos. La búsqueda directa de las WIMP consiste en detectar la colisión de una de estas partículas con el núcleo de un átomo pesado que tenga una masa similar a la esperada para dicha partícula. Los experimentos más prometedores utilizan núcleos de xenón, silicio o germanio. Las búsquedas publicadas por CDMS, EDELWEISS y XENON10 fueron infructuosas, por lo que la esperanza se ha puesto en sus nuevas versiones CDMS-II, EDELWEISS-II y XENON100. Este último, XENON100, utiliza 161 kg de xenón líquido ultrapuro. La nueva búsqueda ha sido realizada entre el 13 de enero y el 8 de junio de 2010, aunque se han descartado algunos días, totalizando 100’9 días. El análisis de los resultados ha sido más complicado de lo esperado (por eso se publica en abril de 2011)y ha resultado en tres eventos candidatos en la región esperada para la detección de una partícula WIMP (apuntados por las flechas en rojo en la figura de arriba). Los tres eventos se han observado el 23 de enero, 12 de febrero y 3 de junio de 2010, con energías de retroceso en la colisión con el núcleo de xenón de 30’2, 34’6 y 12’1 keV. El análisis estadístico mediante técnicas de Montecarlo indica que dos (1’8 ± 0’6 al 99’75% C.L.) de esos tres candidatos podrían ser espurios, fluctuaciones aleatorias en los detectores. Aunque el otro evento sea “real” no se puede saber cuál es entre los tres (la pregunta del millón). La estadística es así, si tres personas se comen un pollo, la estadística no permite saber si una o dos de esas personas han comido pollo o no.

Resumiendo, el resultado más importante de XENON100 es la exclusión de una gran parte del espacio parámetros para las WIMP que estaba sin explorar. Esta exclusión impone serias dudas en la interpretación de los resultados previos de DAMA y CoGENT sobre una partícula de materia oscura de baja masa. Además, la región excluida incluye gran parte de la región donde una partícula supersimétrica de materia oscura tipo WIMP puede ser detectada en el LHC del CERN. Por tanto, son malas noticias para la búsqueda de la materia oscura en el LHC. La partícula de la materia oscura cada día parece más difícil de descubrir.

PS (15 abr. 2011): Recomiendo la lectura de Tommaso Dorigo, “The New XENON 100 Results On Dark Matter,” A Quantum Diaries Survivor, April 14th 2011, donde Tommaso, experto en el análisis estadístico de los datos de aceleradores de partículas, ofrece interesantes comentarios sobre el análisis estadístico publicado (Tommaso no conoce los detalles del análisis realizado y sólo comenta sobre lo mostrado en el paper que se ha publicado).

Los físicos que lean esto y quieran información más técnica sobre el análisis estadístico realizado por la colaboración XENON 100 tendrán que leer el artículo G. Plante, E. Aprile et al., “New Measurement of the Scintillation Efficiency of Low-Energy Nuclear Recoils in Liquid Xenon,” ArXiv, 13 Apr 2011. Nos lo recomienda también Jester, “Xenon100: Nothing,” Résonaances, 14 April 2011.



13 Comentarios

  1. Estos resultados añaden más incertidumbre al periodo de enorme “atasco” que en mi opinión está pasando la ciencia. La supersimetría no da ninguna pista de su existencia, la materia oscura tampoco, el problema de la energía oscura y la energía del vacío está muy lejos de resolverse, las teorías de gravedad cuántica están atascadas (las supercuerdas solo sirven de momento para describir ciertos aspectos del plasma quarks-gluón), las ondas gravitatorias no aparecen etc,etc. Necesitamos nuevos avances urgentemente que saquen a la ciencia de este atolladero. De todas formas, creo que los nuevos avances están a punto de producirse muy probablemente a través del LHC o el satélite PLANCK, es probable que un descubrimiento fundamental nos saque de golpe de todo este embrollo.

    1. Hola planck,
      en general estoy de acuerdo con lo que dices, pero me gustaría hacerte una pequeña corrección: no es “la ciencia” la que está viviendo un atasco, es sólo la física de partículas. Es cierto que las partículas nos deslumbraron durante cuarenta años con los enormes avances que se estaban realizando, y también es cierto que desde principios de los 80 esos avances llegan más en cuentagotas (aunque no hay que olvidar las masas de los neutrinos, que sólo se confirmaron en 1998!). Pero no debemos cometer el error (demasiado habitual, por desgracia) de confundir “ciencia” con “física de partículas”; hay campos que en los últimos 20 años han presenciado avances alucinantes: cosmología, genética, óptica, exoplanetología… por citar sólo los que me constan, porque seguro que habrá otros muchos! Otra cosa es que unos nos interesen más que otros, claro… pero “ciencia” son muchas cosas! 😉

  2. Hola Francis,
    quería pedirte tu opinión personal sobre una cosa relacionada con la materia oscura: sabemos que está ahí, porque podemos medir sus efectos; si nos creemos la Relatividad General a grandes escalas (podría ser que RG fuese muy buena para el Sistema Solar pero fallase para objetos más grandes, como galaxias o cúmulos) podemos incluso deducir que no se trata de materia bariónica, como la que sabemos detectar y manipular. En esa tesitura parece razonable pensar que se trate de algún tipo de partícula nueva, hasta ahí de acuerdo (aunque, ¿quién sabe?, quizá se trate de otra cosa enteramente distinta); pero más allá de eso ¿en qué nos basamos para pensar que la vamos a ver en estos experimentos? Quiero decir, por lo que sabemos la materia oscura bien podría ser totalmente “estéril”, es decir, interaccionar sólo a través de la gravedad; claro, si no hacemos los experimentos nunca lo sabremos, pero de ahí a anunciar que “esperamos” verla en tal o cual experimento… ¿no es ser excesivamente optimistas? ¿O se trata de predicciones hechas en el supuesto de que la materia oscura viniese de alguna teoría concreta, como supersimetría?

    No sé, yo estoy haciendo el doctorado en física de partículas (aunque no en materia oscura, de la que no sé demasiado) y tengo la sensación de que hay una especie de “optimismo injustificado” en estos experimentos. ¿Qué opinas tú? ¿Se me escapa algo?

    Al.

    1. >> anunciar que “esperamos” verla en tal o cual experimento
      >> ¿predicciones hechas en el supuesto de alguna teoría concreta, como supersimetría?

      Podemos comparar la búsqueda de la partícula responsable de la materia oscura en el mismo nivel que la búsqueda de la desintegración del protón. Casi todas las extensiones del modelo estándar predicen la desintegración del protón (o la conversión de quarks en leptones). Muchos experimentos siguen buscando esta desintegración y seguirán buscándola durante muchas décadas. Ahora bien, ya hemos descartado algunas de estas teorías, como las GUT basadas en SU(5), porque predicen una probabilidad de desintegración del protón incompatible con los experimentos.

      De la misma forma, en las búsquedas directas de la materia oscura se trata de refutar (o verificar) las predicciones de diferentes teorías más allá del modelo estándar. Cada nuevo experimento permite refutar ciertas teorías o, al menos, reducir el rango de parámetros para dichas teorías. Los avances son lentos, pero seguros.

      Por ejemplo, una partícula WIMP supersimétrica como candidato (no dependiente del espín) a la materia oscura debe tener una sección eficaz de colisión con un nucleón entre 10–39 y 10–45 cm², y ya se ha descartado, para masas del orden de los 100 GeV, que tenga un valor mayor de 7 x 10–45; esto es un gran éxito para los experimentos. Pronto se podrá descartar todo ese rango para todas las masas posibles.

      Si no descubre la partícula responsable de la materia oscura de aquí a 2020, igual que pasó con la desintegración del protón o con la búsqueda de los monopolos magnéticos originados en la gran explosión, se podrá descartar que la materia oscura sea una partícula y habrá que pensar en que es otra cosa.

      Yo tampoco soy experto en materia oscura. Pero los experimentos en curso y las mejoras que se han planificado para ellos en los próximos años, si no tienen éxito, podrán descartar casi todas las teorías actuales (por no decir todas ellas) sobre las partículas responsables de la materia oscura (que pasará a tener el mismo estatus que la desintegración del protón en la actualidad).

  3. No hay que desesperar… esto es para spin-indpendent. Aún tenemos a IceCube (¡y ANTARES!) mirando qué pasa con la parte spin-dependent…
    Juande

  4. “Malas noticias. El resultado más esperado sobre la materia oscura en la primavera de 2011 es negativo, lo que ha decepcionado a algunos y habrá alegrado a otros”

    Tanto cómo alegría…cuando pasa algo que se espera en el mundo físico, la emoción es más de seguridad que de alegria. La alegria se reserva para los asuntos humanos, cómo por ejemplo tus 2000 posts y tu éxito de audiencia, merecida recompensa a un blog de calidad. Cómo lector habitual desde hace unos cantos meses espero que no bajes el nível. La buena divulgación no es la que distorsiona el mundo de la ciencia con metáforas facilonas sino la que exige un esfuerzo al lector y le impulsa a estudiar sobre el tema.

    P.s. ¿ otra vez en la cama con cuarenta por el inesperado resultado ?

  5. Sólo quisiera añadir una pequeña tontería, desde mi inusitada forma de pensar: si entre tres subpartículas han comido pollo, puede que ninguna haya comido pollo y el pollo esté difuminado en la panza de las tres.
    Puede que por estar buscando una definición falsa se estén obteniendo resultados que sólo son objeto de interpretación pero, ¿hasta cuanto van a seguir defendiendo ese modelo? ¿Está justificado todas esas inversiones que se hacen casi como a fondo perdido?

    1. Juan Manuel, la inversión en investigación básica siempre es a fondo perdido. Si todo va bien, décadas más tarde son inversiones muy rentables. Si todo va mal, en el futuro se sabrá que se desperdició el dinero. Pero la investigación básica siempre es rentable de forma global. Hay proyectos que no son rentables y en los que se pierde dinero, pero de forma global, de forma conjunta, siempre es rentable, muy rentable.

      Si vives en una ciudad y estas en tu casa ahoram mismo, mira a tu alrededor. Nada de lo que ves a tu alrededor existiría sin investigación básica a fondo perdido. Imagina la enorme cantidad de fodos que se han perdido para que se hayan descubierto todo lo necesario para dar lugar a las cosas que te rodean ahora mismo. La investigación básica nunca puede ser a tiro fijo. Hay que probar diferentes caminos con objeto de descubrir el camino que lleva hasta el objetivo. Pero el camino correcto devuelve todos los fondos invertidos con creces, devuelve miles o incluso millones de veces todo lo invertido en la búsqueda por todos los caminos posibles, de los que solo uno era el correcto y todos los demás eran equivocados.

  6. Llevo oyendo hablar de WIMP’s y MACHO’s desde los años 80.

    En algún momento leí que si se demostraba que los neutrinos tenían masa, ese podía ser el secreto de la falta de materia. El neutrino ahora pesa, pero a nadie parece importarle ya.

    El otro día decían por ahí que quizá el cielo esté lleno de estrellas fallidas, planetas sin estrella que la mantenga, ni galaxia que la arrope . Distribuídos de forma uniforme, invisibles desde nuestro observatorio, ¿no podrían formar parte de la famosa materia Oscura?? Si no los vemos, no sabemos cuantos hay.

    Quizá tanto como el 90% de la masa del Universo sea demasiado…

    Tengo la impresión que la materia oscura, a la que ya se le atribuyen propiedades, no existe.

    1. Abuela, el asunto es más complicado de lo que parece. Los neutrinos con masa (materia oscura caliente) no pueden explicar toda la materia oscura, pero sí podrían explicar cierto porcentaje (depende de los cálculos y de las estimaciones pero entre el 20 % y el 30 % si se confirman que los límites cosmológicos superiores para la suma de la masa de todos los neutrinos son similares al valor correcto para dicha suma; ahora mismo no hay límite inferior fiable para la masa de los neutrinos). Muchos teóricos creen que la materia oscura posee dos componentes una caliente (neutrinos) y otra fría (WIMPs).

      En cuando a los MACHOs en gran medida quedan descartados por la ausencia visible de los efectos de microlentes gravitatorias que deberían producir. Sin embargo, los límites actuales son compatibles con que cierta cantidad de materia oscura (no recuerdo el porcentaje) sea debida a MACHOs. Hay una posibilidad “preciosa” que son los MACHOs con una masa subterráquea del orden de la masa de la luna. En la actualidad no se sabe nada de ellos, aunque la mayoría de los astrofísicos los descartan.

      ¿Existe la materia oscura? Ha sido observada gracias a la gravedad, luego la única posibilidad si no existe es que haya una modificación de la gravedad que la explica. Sin embargo, se ha observado que las materias visible y oscura están desacopladas (su dinámica es independiente y se observan efectos de la materia oscura en lugares donde no hay materia visible). Una modificación de la gravedad debe ser muy exótica para poder explicar este hecho. Todavía nadie ha tenido imaginación suficiente para descubrirla (y miles de teóricos lo han intentado). Por ello la opinión oficial es que la materia oscura existe, aunque no sepamos lo que es.

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