El flujo de antiprotones observado por AMS-02 en los rayos cósmicos

Dibujo20150419 AMS-02 antiproton-proton ratio - ams days cern

El resultado más esperado del Espectrómetro Magnético Alfa (AMS-02), el mayor instrumento científico instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS), es el flujo de antiprotones en los rayos cósmicos. Se ha observado un exceso respecto a la estimación más básica del flujo secundario de antiprotones. Como en el famoso caso de BICEP2, hay dos interpretaciones posibles. La más conservadora es que no hemos estimado bien dicho flujo. La más sugerente es que su origen es la materia oscura.

La producción secundaria de antiprotones es el flujo de antiprotones resultado de la colisión de rayos cósmicos de alta energía con la materia interestelar. El experto en rayos cósmicos Marco Cirelli y varios colegas han publicado un artículo que apoya la explicación más conservadora. Hay muchas cosas que desconocemos de los rayos cósmicos secundarios y nuestra ignorancia, unida a nuestro deseo de desvelar el misterio de la materia oscura, se alía para hacernos ver nueva física donde en realidad no la hay.

Los nuevos resultados de AMS-02 se han hecho públicos en la conferencia “AMS Days at CERN – The Future of Cosmic Ray Physics and Latest Results” celebrada entre el 15 y el 17 de abril de 2015 en el CERN [Program, Slides, Videos]; los nuevos resultados sobre antiprotones aparecerán en Physical Review Letters. El nuevo artículo de Cirelli es Gaëlle Giesen et al., “AMS-02 antiprotons, at last! Secondary astrophysical component and immediate implications for Dark Matter,” arXiv:1504.04276 [astro-ph.HE]. A nivel divulgativo recomiendo leer a Jester (with Cirelli comments), “Antiprotons from AMS,” Résonaances, 17 Apr 2015.

Dibujo20150419 Cirelli et al - antiproton secondary production - theoretical estimations - pbar rainbow - arxiv

Las incertidumbres asociadas a la predicción secundaria de rayos cósmicos son muy grandes. Tanto en la producción primaria de dichos rayos cósmicos (en púlsares y otras fuentes astrofísicas), como en su aceleración y propagación interestelar, modulación en el entorno del sistema solar e incluso sección eficaz. Según Marco Cirelli y sus colegas todas estas incertidumbres pueden dar cuenta del exceso observado por AMS-02 en el flujo de antiprotones. Igual que en el caso de BICEP2, en el que el polvo pudo explicar los modos B observados, futuras mejoras en la estimación de la producción secundaria de antiprotones es posible que puedan dar cuenta de todo el exceso.

Dibujo20150417 best-fit secondary antiproton fluxes - astrophysical uncertainties on the constraints -

AMS-02 ha observado en cuatro años unos 60 mil millones de rayos cósmicos (electrones, positrones, protones, antiprotones, núcleos de helio, litio, boro, carbono, etc.) con energías hasta un TeV (unas mil veces la masa de un protón). Su primer gran resultado fue confirmar el exceso de positrones observado por PAMELA. Sin embargo, aún no se sabe si su origen es la materia oscura (es compatible con una partícula WIMP de materia oscura con una masa de unos 700 GeV), o bien resulado de la aceleración de positrones cuyo origen es una población de púlsares que aún no hemos observado.

Dibujo20150419 positron faction AMS-02 from current status to ten years from now - Samuel Ting - AMS Days CERN

El origen de los positrones requiere tomar más datos. Cuatro años no son suficientes. Según Samuel Ting, premio Nobel de Fïsica 1976 e investigador principal de AMS-02, serán necesarios unos diez años para dilucidar la cuestión. Todos queremos conocer la respuesta cuanto antes, pero la ciencia requiere su tiempo. Sobre el año 2020 sabremos si el exceso de positrones tiene un origen astrofísico (algo que opinan muchos expertos, sobre todo los más pesimistas).

Dibujo20150419 positron faction AMS-02 - Samuel Ting - AMS Days CERN

Los modelos de materia oscura que explican el exceso de positrones sin que que haya ningún otro exceso son difíciles de desarrollar y requieren ajustes finos que no nos gustan a los físicos. Lo más razonable es que la aniquilación de la materia oscura también produzca un exceso de antiprotones. Por ello muchos físicos esperábamos con atención los primeros resultados de AMS-02 sobre el flujo de antiprotones. Se han hecho esperar (cuatro años a veces nos parece mucho tiempo). El resultado confirma las expectativas más pesimistas. Se observa un exceso, pero no se observa ningún corte (caída del flujo a cierta energía), como cabría esperar si su origen exclusivo es la materia oscura. El flujo observado requiere materia oscura y un mecanismo de aceleración. Pero si se requiere este mecanismo, entonces el origen también podría ser astrofísico (púlsares y otros fenómenos violentos).

Dibujo20150419 ams proton - lithium - helium - b-c fluxes - Samuel Ting - AMS Days CERN

Los flujos de núcleos de helio (partículas alfa) y litio presentan también un exceso respecto a la estimación naïve del flujo secundario. Tiene que haber un mecanismo de aceleración de estos rayos cósmicos (asociado a los campos magnéticos de la galaxia). Igual que con BICEP2 el análisis se complicó porque hay que separar la contribución de la emisión del polvo que no vemos en los posibles modos B cosmológicos, en el caso de AMS-02 hay que separar la contribución a estos excesos debida a un mecanismo desconocido que aún no entendemos de la posible contribución de la materia oscura. Lograrlo no será fácil, pero exigirá que entendamos mejor nuestro entorno en el universo. Desarrollar mejores modelos de la aceleración de los rayos cósmicos de nuestra galaxia nos permitirá entender muchas cosas. Haya o no haya contribución de la materia oscura en estos excesos, todo lo que aprenderemos gracias a AMS-02 habrá valido la pena. Incluso si no llegamos a conocer la respuesta hasta dentro de un lustro o hasta dentro de una década. Merecerá la pena.

¡Qué rápido pasa el tiempo! ¡Qué lenta es la espera!



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 19 abril, 2015
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