Nuevos resultados de AMS-02 sobre el exceso de positrones en los rayos cósmicos

Dibujo20140923 positron fraction above 10 gev up to 500 gev - ams-02 - phys rev lett

Hay quienes dan ruedas de prensa antes de enviar sus artículos a revistas científicas para su revisión por pares. Y hay quienes, como Samuel Ting, Premio Nobel de Física 1976, esperan a que el artículo aparezca publicado en la web de la revista. Líder del experimento científico por excelencia de la Estación Espacial Internacional (ISS), llamado Espectrómetro Magnético Alfa (AMS por Alpha Magnetic Spectrometer), esperó a que el 18 de septiembre se publicaran sus dos nuevos artículos en la prestigiosa revista Physical Review Letters para presentar sus nuevos resultados en el Auditorio del CERN. Yo lo disfruté en directo gracias al webcast y tuiteé los resultados que me parecieron más interesantes. Permíteme un resumen.

Los artículos técnicos AMS Collaboration, «High Statistics Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–500 GeV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station,» Physical Review Letters 113: 121101, 18 Sep 2014; y AMS Collaboration, «Electron and Positron Fluxes in Primary Cosmic Rays Measured with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station,» Physical Review Letters 113: 121102, 18 Sep 2014.

Te recomiendo leer a Michael Schirber, «Synopsis: More Dark Matter Hints from Cosmic Rays?,» Physics, 18 Sep 2014; Jester, «Dark matter or pulsars? AMS hints it’s neither,» Resonaances, 19 Sep 2014; y Lubos Motl, «A simple explanation behind AMS’ electron+positron flux power law?,» The Reference Frame, 22 Sep 2014, quien por cierto me menciona en su entrada (usa una de las figuras que tuiteé).

Dibujo20140923 electron flux vs positron flux energy dependence - ams-02 - phys rev lett

El flujo de electrones y el flujo de positrones de los rayos cósmicos que inciden sobre la Tierra muestran un comportamiento diferente, tanto en magnitud como en su dependencia respecto a la energía (algo que ya observaron PAMELA y Fermi antes de AMS-02). Ya he hablado en varias ocasiones de este exceso de positrones en este blog [aquí, aquí, aquí y aquí].

Dibujo20140923 positron fraction from 1 to 35 GeV - ams-02 - phys rev lett

Lo que más destaca es que a partir de 8 GeV el flujo de electrones decrece y el flujo de positrones crece. Mucha gente ha querido ver en este exceso de positrones una señal de la aniquilación de partículas de materia oscura. Sin embargo, no se ha observado ningún exceso de antiprotones (Sam Ting dijo que AMS-02 está recabando datos y publicará sus resultados cuando sean firmes).

Dibujo20140923 electron flux - electron anisotropy - ams-02 - phys rev lett

Dibujo20140923 positron flux - positron anisotropy - ams-02 - phys rev lett

La hipótesis de la materia oscura predice un flujo isótropo. Tanto el flujo de electrones como el de positrones lo son para energías por encima de 16 GeV. Que ningún lector se confunda al ver estas figuras que parecen mostrar un flujo anisótropo. En realidad, la órbita de la ISS y la orientación de la AMS-02 impiden observar rayos cósmicos en las regiones donde no aparecen en estas figuras (regiones de color azul oscuro). Por ello la anisotropía observada es muy pequeña (δ≤0,01 para electrones y δ≤0,03 para positrones).

Dibujo20140923 spectral index versus energy for positrons and electrons - ams-02 - phys rev lett

El flujo de rayos cósmicos se suele aproximar por una ley de potencias Φ ~ C × Eγ, donde C es una constante, E es la energía y el exponente γ se llama índice espectral. Los datos indican que el índice espectral del flujo cambia con la energía. Para baja energía tenemos –2,97 ± 0,03 para los electrones con energía entre 15 y 32 GeV, y –3,28 ± 0,03 para los positrones entre 19 y 32 GeV; para alta energía tenemos –2,75 ± 0,05 para electrones con energía entre 50 y 200 GeV, y –3,15 ± 0,014 para positrones entre 83 y 250 GeV. 

Dibujo20140923 combined flux electrons plus positrons - ams-02 - phys rev lett

Lo curioso es que el flujo combinado (electrones más positrones) de alta energía (E> 30 GeV) se describe bien con un único índice espectral –3,170 ± 0,008 (stat + syst) ± 0,008 (energy scale). Cualquier modelo teórico que pretenda explicar el exceso debe dar cuenta de este curioso fenómeno.

Dibujo20140923 ting - minimal model - diffuse plus source - ams-02 - phys rev lett

Samuel Ting presentó en un charla un modelo mínimo para explicar el flujo observado que comprende un término difuso y una fuente isótropa bien distribuida por todo el cielo. Esta figura es muy sugerente pues si nos olvidamos del cambio de color, parece indicar que un flujo difuso (sin fuente alguna) podría explicar el flujo total a grandes energías. El problema es que entonces, a baja energía, se observaría un defecto del flujo total.

Esta idea nos la cuenta Jester en Resonaances, citando el artículo de Boaz Katz et al., «What can we really learn from positron flux ‘anomalies’?,» Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 405: 1458-1472, 2010arXiv:0907.1686 [astro-ph.HE]. Hay varios fenómenos astrofísicos que podrían reducir el flujo de leptones en los rayos cósmicos a baja energía. Remito a los interesados a consultar a Jester.

También hay otras explicaciones astrofísicas, como púlsares (Monogem y Geminga fueron propuestos por Tim Linden, Stefano Profumo, «Probing the Pulsar Origin of the Anomalous Positron Fraction with AMS-02 and Atmospheric Cherenkov Telescopes,» The Astrophysical Journal 772: 18, 2013arXiv:1304.1791 [astro-ph.HE]), remantes de supernovas (Philipp Mertsch, Subir Sarkar, «AMS-02 data confronts acceleration of cosmic ray secondaries in nearby sources,» Phys. Rev. D 90: 061301, 2009arXiv:1402.0855 [astro-ph.HE]), etc.

Dibujo20140923 ting - pulsar diffuse flux explanation - ams-02

La explicación del exceso vía una partícula de materia oscura (un neutralino supersimétrico) requiere una partícula con una masa muy grande (alrededor de 1 TeV), cuya aniquilación produciría un pico en el flujo de fotones de alta energía que no ha sido observado por Fermi. Por supuesto, hay modelos exóticos para partículas de materia oscura que «resuelven» este problema.

Sobre el estado actual de los indicios sobre partículas de materia oscura recomiendo consultar las transparencias de Yann Mambrini, «What did we see (or not) in 2014?,» Physics Chalenges in the face of LHC-14, IFT Madrid, 22 Sep 2014 [PDF slides]. Resumiendo en un frase: todos los indicios pasados, con el paso del tiempo, han caído o están cayendo en saco roto.

Dibujo20140923 slope - positron fraction - minimal model - ams-02 - phys rev lett

Los físicos experimentales como Ting prefieren omitir hipótesis y centrarse en lo que muestran los datos. Los artículos en Phys. Rev. Lett. proponen un modelo mímimo para ajustar los datos experimentales. Ahora es el turno de los físicos teóricos que deberán buscar explicaciones astrofísicas a dicho modelo mínimo. Seguro que en los próximos meses se publicarán muchas propuestas. En su fuero interno seguro que Ting sueña con una partícula de materia oscura, pero los datos no están apoyando su sueño (que le llevaría a obtener un segundo Premio Nobel de Física).

En resumen, en mi opinión, la hipótesis de una partícula de materia oscura de muy alta masa para explicar el exceso de positrones observado por AMS-02 es poco firme. Una familia de varias partículas de materia oscura podría explicar muchos de los datos contradictorios de los que disponemos. Máxime cuando no hay explicaciones astrofísicas del todo convincentes. Por supuesto, la prueba de fuego será la publicación dentro de unos años del flujo de antiprotones de AMS-02 (que también debería presentar un exceso). Los datos de BICEP2, Fermi, AMS-02 y otros observatorios indican que nuestra galaxia es más complicada de lo que imaginamos hace un lustro y contiene muchas fuentes astrofísicas que aún no entendemos. Vivimos en un lugar del universo realmente sorprendente.



4 Comentarios

  1. Sobre estos resultados de AMS-02, sobre los de BICEP2 y sobre el estado en el que se encuentra la ciencia en general yo destacaría dos puntos, uno negativo y otro positivo:
    1º) Si nos fijamos únicamente en los resultados, las últimas 2 décadas han sido absolutamente desastrosas para la Física: aparte del descubrimiento totalmente esperado y predicho del Higgs la
    Física fundamental no ha avanzado prácticamente nada. Todos los resultados obtenidos sobre la búsqueda de la materia oscura, ondas gravitatorias, modificaciones del modelo estándar, modificaciones de la gravedad, supersimetría, GUT, desintegración del protón, dimensiones ocultas, gravedad cuántica, violaciones de simetrías, modos B primordiales, monopolos magnéticos, etc etc no han encontrado absolutamente nada. Seguimos sin saber que es la materia oscura, la energía oscura. la naturaleza del espacio-tiempo, la gravedad, la energía del vacío, si existen dimensiones ocultas, si la naturaleza es supersimétrica, si existe una teoría cuántica de la gravedad… El LHC no ha encontrado nada, los físicos de teoría de cuerdas se pasan a la industria privada, la era de los grandes aceleradores llega a su fin si no se encuentra nada nuevo, el «landscape», el principio antrópico y el multiverso pueden «destruir» nuestra capacidad de predicción de las constantes fundamentales y de las leyes físicas. La fusión nuclear, los ordenadores cuánticos, la inteligencia artificial, los viajes espaciales, el funcionamiento del cerebro humano o las gafas para ver a la gente sin ropa 😀 siguen a muchos «años luz» de distancia… mejor vamos con lo positivo.
    2º) Las búsquedas infructuosas, aunque son desalentadoras y decepcionantes son necesarias para encontrar el camino correcto, por tanto no son totalmente improductivas. Por otro lado, los próximos años pueden cambiar este panorama desolador en el que se encuentra la Física fundamental: si la MO está compuesta de Wimps será encontrada pronto por los experimentos en curso, en breve sabremos si los neutrinos son su propia antipartícula, el LHC reanudará su búsqueda el año que viene a 13 TeV, Planck nos dirá en Noviembre si ha detectado o no los modos B primordiales, el famoso valor de r y si la inflación cósmica recibirá el premio nobel. Por otro lado los cientos de experimentos en curso, los miles de físicos teóricos y matemáticos, el avance de la tecnología y de nuevos modelos teóricos, nuevas herramientas matemáticas,etc prometen nuevos avances a corto-medio plazo.
    Hay que ser optimistas, muchas veces el verdadero placer está en el camino en lugar de en el destino. La ciencia es como un explorador que se adentra en una cueva llena de pasadizos y de paisajes nuevos y desconocidos. Hemos encontrado ya algunos paisajes increíbles pero apenas hemos sondeado aún los primeros recovecos y falta todavía mucho por encontrar, muchos paisajes nuevos y fascinantes por descubrir… y la ciencia llegará hasta el final o hasta donde la naturaleza nos deje.

  2. Sigo tus artículos con admiración (por las personas que entendéis éstom sobretodo las mates). gracias.
    Entonces lo que se está buscando es la composición de la materia oscura en el ruido de los rayos cósmicos? supongo que si se cree que es antimateria deberían llegar positrones, antiprotones etc.. y dices que los que se han detectado no se sabe exactamente de que fuente provienen, por lo que seguramente hay más fuentes de radiación en la galaxia de las que conocemos? (pulsares, etc)
    gracias.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 24 septiembre, 2014
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