La oscilación anual DAMA/LIBRA alcanza las 12,9 sigmas

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El experimento italiano DAMA/LIBRA para la búsqueda directa de materia oscura ha observado una misteriosa señal durante 20 años cuyo origen aún es desconocido. Sus últimos resultados confirman esta oscilación anual a 12,9 sigmas de confianza estadística (gracias a la combinación DAMA/NaI + DAMA/LIBRA-ph1 + DAMA/LIBRA-ph2). La interpretación preferida por sus responsables es que se trata de una señal de la materia oscura; el movimiento de la Tierra alrededor del Sol provoca que el flujo de partículas de materia oscura oscile produciendo la señal observada en los detectores de NaI en el Laboratorio Subterráneo de Gran Sasso (LNGS-INFN). Por desgracia se requiere una partícula de materia oscura con una masa e interacción con los nucleones descartada por muchos otros experimentos.

Rita Bernabei (Universidad de Roma Tor Vergata, Italia) presentó el pasado 26 de marzo de 2018 un análisis independiente del modelo para esta señal asumiendo que su origen es una partícula de materia oscura. Su resultado es tan convincente como puede llegar a serlo un análisis de este tipo. ¿Por qué otros experimentos de búsqueda directa no observan esta partícula? Según ella (y sus colaboradores) porque sus análisis están sesgados. En apariencia descartan su partícula, sin embargo, en rigor no lo hacen. Así lo probará la confirmación de la oscilación DAMA/LIBRA de forma independiente mediante otros detectores de NaI como el español ANAIS, en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, el coreano COSINE-100, en el Laboratorio Subterráneo de Yangyang, y el japonés PICO-LON, en el Laboratorio Subterráneo de Kamioka. Por supuesto, ANAIS, COSINE-100 y/o PICO-LON podrían no observar la señal de DAMA/LIBRA (no sé el porqué, pero me temo lo peor).

La presentación es Rita Bernabi, “First model-independent results by DAMA/LIBRA–phase2,” CSLNGS, 26 Mar 2018 [PDF slides]. Más información divulgativa en Davide Castelvecchi, “Beguiling dark-matter signal persists 20 years on,” News, Nature (28 Mar 2018).

[PS 05 Apr 2018] Los límites de exclusión a las partículas WIMP se basan en una interacción entre la materia oscura y los nucleones independiente del espín (que conserva el isospín, es decir, actúa por igual en neutrones y protones). En dicho caso la modulación anual DAMA/LIBRA requiere una partícula con una masa de unos ∼ 8 GeV/c², que está desfavorecida a 5,1 σ; si se quiere salvar de alguna forma, habría que recurrir a una masa de ∼ 53 GeV/c², que está desfavorecida a 3,2 σ. La opción alternativa, si el isoespín no se conserva, con supresión del acoplamiento al yodo (I), se permiten masas de ∼ 10 GeV/c², o ∼45 GeV/c². Más información en Sebastian Baum, Katherine Freese, Chris Kelso, “Dark Matter implications of DAMA/LIBRA-phase2 results,” arXiv:1804.01231 [astro-ph.CO]. [/PS]

Dibujo20180402 exclusion dark matter as incorrect exercise bernabei march 26 2018

Resulta sorprendente que Bernabei afirme sin rubor que los límites de exclusión para partículas WIMP publicados por otros experimentos, como CoGeNT, CDMS, LUX, XENON1T, etc., son un ejercicio en gran medida arbitrario, parcial e incorrecto. Palabras duras que quizás algunos interpretan como una defensa desesperada, pero que otros verán como un alegato a la ciencia rigurosa.

Te recuerdo que en estos diagramas de exclusión para partículas WIMP (weakly interacting massive particles) se presenta la sección eficaz de interacción de una partícula WIMP con un nucleón (protón o neutrón) en función de su masa. En los experimentos de búsqueda directa, en los que se mide la energía de retroceso del núcleo atómico tras la interacción, solo se explora el rango de masas que coincide con la masa de los elementos químicos usados (escala GeV/c²). Las partículas WIMP interaccionan con los nucleones vía la interacción débil o una interacción con acoplamiento del mismo orden de magnitud, vía el llamado “milagro de las WIMP” (de ahí la W en su nombre); en el primer caso sería mediada por bosones Z (ya descartada por la mayoría de los experimentos) y/o bosones de Higgs (cuyo estudio aún está en curso); por supuesto, se asume que las partículas WIMP son eléctricamente neutras y no pueden interaccionar con los bosones W.

Las palabras de Bernabei sugieren que la materia oscura no está formada por particulas WIMP; es decir, que interacciona con los nucleones en los núcleos de Na e I del NaI en el detector mediante una nueva interacción diferente a la interacción débil. Has leído bien, una nueva interacción aún por descubrir. El problema es que en dicho caso no podemos estimar las propiedades de la partícula de materia oscura usando solo la energía de retroceso en la colisión. Más aún, para que solo sea observable por los detectores de NaI, siendo imposible observarla en otros experimentos de búsqueda directa de la materia oscura que usan Xe, Ge, Si, etc., se requiere que dicha interacción sea muy pero muy especial. Solo gracias a detectores que usen NaI, como ANAIS, COSINE-100 y PICO-LON se podría estudiar dicha interacción.

Dibujo20180402 possible systematics or side effects dama libra oscillation bernabei march 26 2018

Supongo que te preguntarás, ¿no será que DAMA/LIBRA están observando errores sistemáticos y/o efectos colaterales? Por supuesto, no se puede descartar dicha posibilidad. Según Bernabei se han estudiado todos los posibles efectos durante los últimos 20 años y han sido descartados uno a uno. Si parece un pato, anda como un pato, tiene pico de pato, plumas de pato y patas de pato, es que ¡es un pato!

No me gustaría finalizar esta entrada sin recordar que la mayoría de los físicos que trabajan en materia oscura son escépticos respecto a la interpretación como tal de la oscilación DAMA/LIBRA. Cada día que pasa es más relevante que se publiquen los primeros resultados independientes sobre dicha oscilación. ANAIS lleva tomando datos desde agosto de 2017; sus primeros resultados podrían publicarse a principios de 2019, aunque los más relevantes no llegarán hasta mediados de 2020. COSINE-100 lleva tomando datos desde el 30 de septiembre de 2016 y se espera que publique el análisis de sus primeros dos años a principios de 2019. PICO-LON está aún en construcción.

En resumen, quizás haya que esperar a finales de 2020 para las primeras refutaciones (o confirmaciones) de la señal DAMA/LIBRA, pero la espera merecerá la pena. En ciencia, los experimentos únicos siempre son un quebradero de cabeza. Toda observación debe ser repetida de forma independiente. Pero no siempre es fácil ni barato lograr la ansiada replicación.


3 Comentarios

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notengoniideanotengoniidea

En estos momentos yo creo que la explicación más obvia podría ser la falsificación de los datos.

La materia desconocida interacciona solo con el centelleador de ese detector porque lo hace mediante una interacción desconocida.

Prefiero atribuírselo todo a “fue un mago”, da menos dolores de cabeza.

ZeyuzZeyuz

Osciladores de fondo cósmico oh partículas en el caso ? Y tengo una duda en diciembre aumenta oh disminuye ? Si en diciembre disminuye la interacción puede provenir de interacción solar oh sí aumenta alguna interacción de fondo cósmico

Enrique Moreno

Desde luego sea lo que sea es estacional claramente. Han comprobado temperatura e imagino que habrán comprobado humedad y supongo que (obviamente) la alimentación de los equipos está calibrada (las características de las redes eléctricas varían con la época del año). También supongo que los sensores están mecánicamente separados del entorno de manera que no aparezcan tensiones internas que puedan modular los resultados de sensores resistivos (efecto “load cell”), al estar térmicamente aislado el experimento del entorno.

Estas cosas son interesantísimas.

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