#ICHEP2014: Cosmología y física de astropartículas

Por Francisco R. Villatoro, el 3 julio, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 5

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La sesión de hoy (3 de julio) sobre física de astropartículas y cosmología se inicia a las 11:00 con una charla sobre la polarización del fondo cósmico de microondas a 150 GHz observado por POLARBEAR (desierto de Atacama, Chile). Nada realmente nuevo respecto a lo ya publicado el año pasado, la observación de modos B no cosmológicos (debidos al efecto de lente gravitacional); la hipótesis nula se rechaza a 4,2 σ y la señal observada alcanza 4,7  σ. Haruki Nishino (POLARBEAR), «First Results from CMB Polarization Experiment POLARBEAR,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstract; PDF slides].

POLARBEAR ha observado en tres pequeñas regiones de cielo (de 3º×3º) con lo que no puede observar modos B cosmológicos. Ya ha iniciado observaciones en una región de mayor tamaño angular, pero habrá que esperar hasta el año próximo para los resultados. La charla nos comenta los planes de mejora. Por un lado, un nuevo sensor, POLARBEAR-2, con más bolómetros que operarán a dos frecuencias (95 y 150 GHz). Y por otro lado, la adición de dos nuevos telescopios (el llamado Simons Array); todos opeararán a dos frecuencias, dos de ellos a 95 y 150 GHz, y el tercero a 150 y 220 GHz. La instalación se realizará en 2015, luego no habrá resultados hasta 2016, como pronto.

Las dos siguientes charlas teóricas tratando de explicar los resultados BICEP2 (olvidando que han sido puestos en duda por algunos). Jihn E. Kim, «Dark energy, QCD axion, BICEP2, and trans-Planckian decay constant,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPPT slides] nos habla de su «caotón» (muy relacionado con el axión) para acomodar los datos de BICEP2 (Jihn E. Kim, «The inflation point in U(1)de hilltop potential assisted by chaoton, BICEP2 data, and trans-Planckian decay constant,» arXiv:1404.4022 [hep-ph]).

Ko Pyungwon, «νΛMDM: A Model for Sterile Neutrino and Dark Matter Reconciles Cosmological and Neutrino Oscillation Data after BICEP2,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides], nos habla de dos modelos que utilizan un sector oculto con simetría U(1) que ya ha publicado en ArXiv (P. Ko, Yong Tang, «νΛMDM: A Model for Sterile Neutrino and Dark Matter Reconciles Cosmological and Neutrino Oscillation Data after BICEP2,» arXiv:1404.0236 [hep-ph], y P. Ko, Yong Tang, «Self-interacting scalar dark matter with local Z3 symmetry,» arXiv:1402.6449 [hep-ph]).

Estos trabajos teóricos, como muchos otros estos últimos meses, están guiados por el problema que supone la cota de Lyth. Si el acoplo del campo inflatón y la gravedad es mínimo, los datos de BICEP2 implican una fluctuación cuántica primordial con una energía superior a la energía de Planck (transplanckinana). Muchos físicos creen que este hecho es la prueba teórica más firme de que los datos de BICEP2 están contaminados con polvo galáctico. Por supuesto, si el acoplo no es mínimo se evita el problema (basta una fluctuación subplanckiana). Nos lo cuenta Gabriela Barenboim, «Transplanckian masses in inflation,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides], que discute su trabajo G. Barenboim, O. Vives, «Transplanckian inflation as gravity echoes,» arXiv:1405.6498 [hep-ph].

El origen de la asimetría cósmica materia-antimateria es un problema aún no resuelto que se engloba en el término «partículogénesis» (particlegenesis). El modelo estándar no tiene suficiente violación de la simetría CP para explicar este fenómeno mediante la bariogénesis, por lo que se han propuesto un gran número de alternativas: leptogénesis, neutrinogénesis, higgsogénesis, etc. Quizás la solución final del problema sea una combinación de todas ellas. A quien quiera profundizar, le recomiendo las charlas del KITP Program: Particlegenesis, May 19 – Jul 3, 2014.

El papel de los neutrinos en la leptogénesis es discutido en el ICHEP2014 por Michele R.E. Fiorentin, «Strong thermal leptogenesis and the $N_2$-dominated scenario,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides], que nos habla de sus trabajos Pasquale Di Bari, Sophie E. King, Michele Re Fiorentin, «Strong thermal leptogenesis and the absolute neutrino mass scale,» arXiv:1401.6185 [hep-ph], y Michele Re Fiorentin, Sophie E. King, «Neutrino parameters and the N2-dominated scenario of leptogenesis,» arXiv:1405.2318 [hep-ph]. Su idea es incluir el efecto de tres neutrinos de quiralidad derecha de alta masa (por encima de 109 GeV); estos resultados son compatibles con las observaciones de BICEP2.

Dibujo20140703 leptogenesis - bhupal dev talk ichep2014

También discute la leptogénesis P. S. Bhupal Dev, «Flavour Covariant Formalism for Resonant Leptogenesis,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides], que nos habla de su trabajo P. S. Bhupal Dev, Peter Millington, Apostolos Pilaftsis, Daniele Teresi, «Flavour Covariant Transport Equations: an Application to Resonant Leptogenesis,» arXiv:1404.1003 [hep-ph] (por cierto, un artículo de 109 páginas muy detallado).

Como a los físicos teóricos les encantan los nombres exóticos, la bariogénesis generada por la desintegración de partículas WIMP de materia oscura recibe el nombre de «helicitogenesis» en la charla de Jean Racker, «Baryogenesis from dark matter annihilation,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides] (J. Racker, N. Rius, «Helicitogenesis: WIMPy baryogenesis with sterile neutrinos and other realizations,» arXiv:1406.6105 [hep-ph]). Un nombre bonito no hace que un trabajo sea más interesante, por lo que Racker incluye varias fotos de gatos en sus transparencias (ya se sabe que las fotos de gatos se ganan a todo público). Ello no quita que su trabajo sea bastante sugerente (además, haría que el «milagro WIMP» fuera aún más milagroso).

El sector oscuro del universo es el tópico de la sesión de la tarde que se inicia a las 15:00 horas. Empieza Eusebio Sánchez, «The Dark Energy Survey,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides], hablándonos de los primeros resultados científicos de DES (que inició la toma de datos en agosto de 2013 y ha finalizado la primera temporada en febrero de 2014). Para un público general los resultados que presenta son poco interesantes y sólo sirven para demostrar que DES están funcionando a las mil maravillas (básicamente confirman medidas ya conocidas). Habrá que estar al tanto de futuros resultados (los datos recabados están todavía siendo analizados).

La materia oscura además de partículas WIMP puede incluir nuevos bosones gauge. Estimar su número no es fácil. Roberto Lineros, «Constraints on the dark matter interaction sector via extra radiation contributions,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides], nos cuenta que el valor actual de Neff permite acotar a 20 el número máximo de nuevos bosones gauge «oscuros» si las partículas WIMP tiene una masa en la escala TeV y a 13 si su masa ronda los 100 GeV. Más información del método de estimación en Urbano Franca, Roberto A. Lineros, Joaquim Palacio, Sergio Pastor, «Probing interactions within the dark matter sector via extra radiation contributions,» arXiv:1303.1776 [astro-ph.CO]. Las observaciones del telescopio Planck de la ESA que se publicarán en octubre reducirán el error en Neff y permitirán mejorar estas cotas.

Dibujo20140703 sun dark matter annihilation - yen-hsun lin talk ichep2014

Sabemos que la materia oscura interacciona con la materia ordinaria gracias a la gravedad, luego esperamos que en el núcleo de la Tierra o en el núcleo del Sol haya materia oscura acumulada. Detectores como IceCube-PINGU están tratando de observar señales de las aniquilaciones de estas partículas de materia. Lo que esperamos observar en el caso del Sol nos lo cuenta Yen-Hsun Lin, «The Dark Matter Self-Interaction and Its Impact on the Critical Mass for Dark Matter Evaporations Inside the Sun,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides], que ya nos contó lo que esperamos para el centro de la Tierra en Guey-Lin Lin, Yen-Hsun Lin, «Probing the coupling of heavy dark matter to nucleons by detecting neutrino signature from the Earth core,» arXiv:1404.0446 [hep-ph]. Sólo si las partículas de materia oscura tienen una masa en la escala de 1 GeV podemos esperar observar alguna señal.

Las predicciones supersimétricas para los propiedades de las partículas de materia oscura son las firmes en la actualidad. El único problema es que la supersimetría es algo que podemos añadir a cualquier teoría, luego hay tantas teorías supersimétricas como teorías posibles. La falta de unicidad es un hándicap que la mayoría de los teóricos lidian gracias a las variantes del modelo más sencillo posible (MSSM). Lo discute brevemente Michael Klasen, «Precision predictions for supersymmetric dark matter,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides], que nos habla del proyecto DM@NLO. De todas formas, hablar de precisión en estas cuestiones, cuando los errores siempre superan el 20%, me parece un poco arriesgado.

Lo maravilloso de la física es que las estimaciones «por la cuenta de la vieja» (que los físicos llaman «back-of-the-envelope») nos permiten obtener resultados muy generales que se aplican «a casi todos» los modelos posibles. Las predicciones «genéricas» en un modelo MSSM para la abundancia de neutralinos primordiales (reliquia del recalentamiento en los primeros instantes del big bang tras la inflación cósmica) nos las cuenta Pedro Ruíz-Femenia, «Sommerfeld enhancements and relic abundance of neutralino dark matter in the general MSSM,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides]. Si errores de un 20% te parecen razonables, puedes consultar sus transparencis y revisar sus trabajos arXiv:1210.7928 [hep-ph] y arXiv:1303.0200 [hep-ph].

Dibujo20140703 halo-independent model allowed regions for dm-proton cross-sections- Graciela Gelmini talk ichep2014

Para la interpretación de los resultados observados por los detectores directos de materia oscura es necesario utilizar un modelo teórico de su distribución en el halo galáctico. El modelo estándar del halo asume una distribución isótropa de tipo Maxwell-Boltzmann. Pero también se puede usar lo que se llama un modelo independiente del halo (que factoriza varias contribuciones y asume un modelo genérico para cada una de ellas).

El caso de una interacción independiente del espín nos lo cuentan Graciela Gelmini, «Halo-Independent analysis of direct dark matter detection data for any WIMP interaction,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstract; PDF slides], y Eugenio Del Nobile, Graciela B. Gelmini, Paolo Gondolo, Ji-Haeng Huh, «Update on the Halo-Independent Comparison of Direct Dark Matter Detection Data,» arXiv:1405.5582 [hep-ph].

También es importante en este caso el factor de forma nuclear, que ha de ser determinado mediante estudios experimentales. Sonja Orrigo, «Nuclear Form Factors for Direct Dark Matter Detection,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides], nos cuenta cómo se puede determinar gracias a experimentos que usan berilio y bismuto, tanto las distribuciones para protones como para neutrones.

La relación entre la materia oscura y el campo Higgs no está del todo clara. Lo más sencillo es que el campo de Higgs se acople a las partículas de materia oscura y les de masa. Sin embargo, podrían existir otros campos de Higgs que se acoplaran a las partículas de materia oscura. Extender el modelo estándar con nuevos campos escalares es fácil y los modelos 2HDM etán muy estudiados. Como nunca hay dos sin tres, nos hablan de los modelos 3HDM en Dorota Sokolowska, «Dark Matter in scalar extensions of the Standard Model,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides]. Como añadir «objetos teóricos» es gratis, estas extensiones son muy populares, pero esta en concreto a mí me parece poco prometedora (aunque Sokolowska diga que su modelo 3HDM con simetría Z2 es un buen candidato a materia oscura).

El detector directo de materia oscura DarkSide-50, en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso (Italia), lleva tomando datos desde octubre de 2013. Usa el gas noble argón (39Ar) y tomará datos hasta 2016, momento en que se instalará su versión mejorada DarkSide-G2. Nos cuenta la situación actual Stefano Davnii, «A first walk on the DarkSide,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides], pero sin incluir ningún resultado (habrá que esperar al año que viene).

El detector de neutrinos Baikal-GVD, en el lago Baikal (sur de Siberia, Rusia), está en construcción. Similar a los detectores ANTARES (en el Mediterráneo) y a IceCube (en el Polo Sur), salvando las diferencias, empezará a tomar datos en el año 2020. Si te interesa el estado actual de de su construcción, puedes consultar a Bair Shaybonov, «Status of the early construction phase of the BAIKAL-GVD,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides].

Dibujo20140703 global gravitational dectectors - alicia sintes talk ichep2014

La situación actual de los detectores de ondas gravitacionales es revisada por Alicia M. Sintes (LIGO, VIRGO), «Review on gravitational wave detectors,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides]. Nada nuevo. Salvo quizás que su sensibilidad se está aproximando a la región de interés astrofísico y cosmológico. En menos de una década debería lograrse la primera detección de una onda gravitacional (quizás gracias a la red global LIGO-VIRGO).

La naturaleza exacta de la fuente de los rayos cósmicos ultraenergéticos (UHECR) es desconocida. Localizar sus fuentes es muy difícil, pero parece claro que su origen es extragaláctico y que no están distribuidos de forma isótropa por el cielo. Esta anisotropía parece importante para desentrañar su origen, como nos cuenta Silvia Mollerach, «Anisotropies of ultra-high energy cosmic rays diffusing from extragalactic sources,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPDF slides].

Dibujo20140703 pamela - ams-02 - proton helium tracker - talk ichep2014

PAMELA está observando los rayos cósmicos de alta energía desde el año 2006. Su calorímetro permite identificar electrones, protones y núcleos de helio (partículas alfa). Para el estudio de los electrones (como el exceso de positrones) tiene ventaja AMS-02 (instalado en la Estación Espacial Internacional, ISS), que puede alcanzar energías más altas. Sin embargo, PAMELA vence a AMS-02 en protones y partículas alfa, como nos cuenta Alexander Karelin, «The high energy cosmic ray particle spectra measurements with the PAMELA calorimeter,» ICHEP 2014, 3 Jul 2014 [abstractPPTX slides]. Aún así, PAMELA obtiene resultados similares a ATIC-2 y a CREAM.

Conforme se vayan colgando nuevas charlas en la web trataré de ir comentándolas.



5 Comentarios

  1. Excelente resumen de las charlas Francis. Un apunte sobre la charla «Transplanckian masses in inflation», como dices, en ella se argumenta que el acoplo del campo inflaton a la gravedad no debe ser el acoplo mínimo porque sino el campo adquiere una masa superior a la masa de planck, sin embargo, como Alan Guth explica en los fundamentos físicos de la inflación (ver pagina 14 en http://arxiv.org/abs/astro-ph/0002156) esto no supone ningún problema, la masa del campo inflaton no es una cantidad física medible, la magnitud relevante es la densidad de energía del campo y esta permanece siempre por debajo de la energía de planck. Por tanto, si no estoy equivocado el acoplo puede ser el acoplo mínimo sin ningún problema a no ser que los autores estimen que lo que dice Guth no es correcto.

  2. 30 años buscando la materia oscura sin encontrar nada son muchos años. La verdad es que a pesar del enorme esfuerzo realizado y los enormes avances en la sensibilidad de nuestros experimentos seguimos sin avanzar nada. Todas las señales de nueva física prácticamente se han esfumado, el modelo supersimétrico mínimo prácticamente está muerto, los modelos «composites» o basados en preones también, las ondas gravitatorias no aparecen, la MO y la EO siguen tan oscuras como siempre, los físicos teóricos sacan modelo tras modelo pero sin el apoyo experimental no hay nada que hacer, los teóricos de cuerdas empiezan a dedicarse a otras cosas…
    Salvo el descubrimiento del Higgs las últimas décadas han sido infructuosas salvo por los modelos excluidos que nos dicen donde no tenemos que buscar. BICEP2 puede ser incluso más importante que el Higgs si el polvo no lo entierra para siempre.
    Supongo que los Físicos más veteranos echarán de menos la época en la que los nuevos descubrimientos en Física producían grandes revoluciones tecnológicas, hoy en día esto es mucho más difícil con la fuerza electromagnética prácticamente explotada al máximo. Con los neutrinos, los axiones o las partículas de MO poco podremos hacer debido a su casi nula interacción con la materia ordinaria aunque nunca se sabe.
    A pesar de ello y de que quizás nunca veremos tecnologías como los computadores cuánticos aun hay muchas ramas que pueden producir cambios revolucionarios: biotecnología, ingeniería genética, estudios sobre el cerebro humano, nanotecnología, la esperada fusión nuclear, estudio de exoplanetas, etc ,etc. No solo de Física fundamental vive la ciencia…
    Por otro lado pocos dudan de que el SM no puede ser la última palabra y si creemos en la idea de que al comienzo del Universo todas las partículas y las fuerzas estaban unificadas la supersimetría parece inevitable pero ¿a que escala? Toca esperar, quizás pronto haya sorpresas…

      1. +1 a eso !!! (sin importar que la opinión de plank sobre la ciencia-ficción sea un tanto «limitada» 😉 )

        Agradezco también a Antonio AKA Un Físico («la sal nuestra de cada día», jeje, que no es una crítica, hombre, al contrario 🙂 )

        Y lamento que riemannium (amarashiki) no comente más seguido (Krull mola! )

        Saludos.

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