La ley de Moore para la búsqueda directa de materia oscura

Por Francisco R. Villatoro, el 13 octubre, 2015. Categoría(s): Ciencia • Física • Materia oscura • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science

Dibujo20151013 dark matter moore law - cross section in time

Durante los últimos tres lustros, la búsqueda directa de una partícula de materia oscura tipo WIMP ha seguido una ley tipo Moore: la sección eficaz de interacción se ha reducido por un factor de dos cada quince meses. Durante la década de los 1990 se buscaba una WIMP que interaccionara con la materia (ordinaria) vía el intercambio de bosones Z. Los experimentos actuales están estudiando la interacción vía el intercambio de bosones de Higgs. Todavía queda bastante hueco aún no explorado.

En el próximo lustro LUX, XENON1T y LZ, entre otros, explorarán la región de masas para las WIMP entre 10 GeV y 10 TeV. En paralelo, SuperCDMS, DAMIC y CRESST, entre otros, explorarán la región de baja masa, entre 1 GeV y 10 GeV. Aún es pronto para preocuparse por no haber encontrado una WIMP responsable de la materia oscura. Falta una década para alcancemos el fondo de neutrinos y tengamos que empezar a imaginar nuevas técnicas de búsqueda.

Nos lo cuenta Dan Hooper (Fermilab), “The Search for Dark Matter’s Particle Identity (Circa 2015),” DESY Theory Workshop “Physics at the LHC and Beyond,” Hamburgo, Alemania, 29 Sep 2015 [contribution].

Dibujo20151013 galactic center fermi excess dark matter

Los modelos de evolución galáctica predicen una acumulación de materia oscura en el centro de cada galaxia, incluyendo las pequeñas galaxias satélites. El telescopio espacial Fermi de rayos gamma de la NASA ha observado un exceso en el centro de la Vía Láctea. Entre 2009 y 2010 había serias dudas, que se disiparon entre 2011 y 2013; en la actualidad está fuera de toda duda, aunque la cuestión pendiente es su origen.

El exceso se distribuye con simetría casi esférica con un fluyo que cae radialmente como ~1/r2,4 entre ~0,06° y ~10° de Sgr A*, lo que implica una densidad de materia oscura (si ésta es su origen) de ρDM ~ 1/r1,2 entre ~10–1500 pc; el exceso está picado en ~1–3 GeV y se ajusta bastante bien con las predicciones para una partícula WIMP con una masa ~35–50 GeV que se aniquila en una par quark–antiquark bottom–antibottom (bb). En su caso, será observada en la próxima década (o, si sonríe la fortuna, en el próximo lustro).

Sin embargo, la señal observada podría tener su origen en una población de púlsares de milisegundos (recuerda que un púlsar es una estrella de neutrones en rápida rotación a una estrella compañera que transforma su energía cinética en emisión de radio y rayos gamma); la acreción de materia a partir de la estrella compañera puede acelerar un púlsar hasta que emita en el régimen de los milisegundos (~1.5 ms), lo que incrementa su vida durante más de mil millones de años. Se considera muy plausible que haya una población de más de 2000 púlsares milimétricos a una distancia de menos de 1,8 kpc del centro galáctico que den cuenta del exceso observado por Fermi.

Dibujo20151013 dark matter vs millisecond pulsars

El telescopio espacial Fermi ha observado púlsares milimétricos fuera del centro galáctico, pero sus características no permiten explicar el exceso del centro galáctico (Samuel K. Lee et al., “Evidence for Unresolved Gamma-Ray Point Sources in the Inner Galaxy,” arXiv:1506.05124 [astro-ph.HE]; Richard Bartels et al., “Strong support for the millisecond pulsar origin of the Galactic center GeV excess,” arXiv:1506.05104 [astro-ph.HE]). Si una población de púlsares milimétricos explica el exceso de rayos gamma en Sgr A entonces debe ser diferente de la población observada lejos del centro galáctico (algo perfectamente plausible, por otro lado).

Para decidir la cuestión debemos estudiar en detalle todas las fuentes puntuales de rayos gamma en el entorno de Sgr A. No será fácil. Pero la recompensa será doble: entender mejor nuestra galaxia (la población de púlsares en su centro) y, al mismo tiempo, entender mejor nuestro universo (la materia oscura). Como he afirmado varias veces en este blog, todos tenemos mucha prisa por conocer las respuestas, pero olvidamos que, en ciencia, lo que se disfruta más es el camino hasta obtenerlas.



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