La búsqueda de la materia oscura gracias a PAMELA

Por Francisco R. Villatoro, el 4 agosto, 2011. Categoría(s): Ciencia • Física • Materia oscura • Physics • Science ✎ 1

PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light Nuclei Astrophysics) es un satélite que  lleva 5 años orbitando la Tierra y recopilando datos sobre la antimateria (positrones (antielectrones) y antiprotones). Su objetivo primordial es identificar si esta antimateria tiene su origen en la desintegración (aniquilación) de la materia oscura del universo. También pretende estudiar las fuentes de antihelio (restos de antimateria primordial), ciertos rayos cósmicos pesados (núcleos ligeros y sus isótopos), la física solar, la modulación solar de los rayos cósmicos, así como la magnetosfera terrestre. PAMELA es capaz de detectar antiprotones con energías en el rango de 80 MeV a 180 GeV, positrones entre 100 MeV y 300 GeV, electrones hasta 600 GeV, protones hasta 1 TeV, núcleos ligeros (He/Be/C) hasta 200 GeV/n, y calorímetros para detectar fotones debidos a la desintegración electrón-positrón de hasta 2 TeV. PAMELA es ideal para identificar fuentes que producen múltiples tipos de rayos cósmicos. Se espera que PAMELA finalice su misión a finales de 2011 (mucho más allá de los 3 años para los que fue diseñada la misión). Tomando datos desde el 11 de julio de 2006, lleva unos 1700 días en los que ha acumulado 26 TBytes. Nos lo cuentan Mirko Boezio (INFN Trieste, Italia), On behalf of the PAMELA collaboration, «Cosmic-Ray Measurements with the PAMELA Space-Borne Experiment,» 7th  TeVPA, Stockholm, August 1st, 2011, y Emiliano Mocchiutti (INFN – Trieste), On behalf of the PAMELA collaboration, «PAMELA: Electrons and Positron Spectra Measurement in the Cosmic Rays,» 7th  TeVPA, Stockholm, August 1st, 2011.

PAMELA es famosa por haber observado un exceso de positrones en los rayos cósmicos, pero no de antiprotones (se han observado unos diez mil positrones, pero el exceso se observa en los de energía mayor de 20 GeV, solo unos 200). Hay explicaciones astrofísicas para dicho exceso: la presencia de púlsares jóvenes cercanos. Sin embargo, el único que ha sido observado es Geminga (PSR J0633+17), un púlsar invisible en ondas de radio identificado en el espectro visible como una estrella azul muy tenue de magnitud +25,5. Como no se conoce ningún otro púlsar de estas características, la explicación astrofísica ha sido puesto en duda por ciertos científicos que prefieren interpretar que la materia oscura es responsable de este exceso de positrones.

La hipótesis de que el exceso de positrones observado por PAMELA es debido a la desintegración de partículas de materia oscura encuentra el problema de que no ha sido observado ningún exceso de antiprotones. Por ejemplo, una partícula de materia oscura tipo WIMP con una masa de 150 GeV, que se desintegra de forma preferente en un par de bosones W, como podría ser un wino supersimétrico, explica muy bien el exceso de positrones, pero tiene el grave problema de la ausencia de antiprotones. Para que una partícula de este tipo explique ambos resultados se requiere que se masa sea del orden de 10 TeV, mucho más allá de lo razonable para explicar la materia oscura del universo.

Por supuesto, hay maneras de explicar las observaciones de PAMELA utilizando candidatos a materia oscura adecuados. Por ejemplo, una partícula WIMP con una masa 1 TeV que se desintegre preferentemente en pares de muones y/o electrones, como muestra la figura de arriba, podría explicar los resultados de forma estupenda. La desintegración tendría que estar mediada por una partícula intermedia. De manera similar se pueden proponer otras opciones, pero todas tienen algo de «antinatural,» lo que hace que los resultados de PAMELA sean paradójicos para mucha gente.

En mi opinión, no soy experto, la explicación que me parece más razonable es la explicación astrofísica. No soy el único, aunque los límites actuales aún son insuficientes para confirmar esta hipótesis; ver por ejemplo la charla de Jesús Zavala Franco (CITA National Fellow, University of Waterloo, Canada), «The cosmic X-ray and gamma-ray background from dark matter annihilation,» 7th  TeVPA, Stockholm, August, 2011 [ArXiv paper, Phys. Rev. D paper].

Habrá que esperar los primeros resultados de AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS) por el transbordador espacial Endeavour (misión STS-134). AMS-02 explora regiones de energía mucho más allá de las asequibles para PAMELA, lo que permitirá extender la región de energías en lsa que se ha observado el exceso de positrones. Más información en la charla de Stefan Schael (RWTH Aachen University), «Status of the AMS-02 Experiment on the ISS,»  7th  TeVPA, Stockholm, August 1st, 2011.



1 Comentario

  1. Algo ha de obtenerse con esta tecnologìa tan avanzada, no se, pero me parece que las inversiones fundamentales deben estar orientadas a la aplicaciòn de la tecnologìa, principalmente, en cuestiones concretas como por ejemplo un viaje a Marte, con su consiguiente colonizaciòn de alguna porciòn de ese planeta, que es posible, se ha demostrado.

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