Límites de exclusión para partículas de materia oscura en la escala MeV

Dibujo20180514 spin-independent low mass MeV dark matter exclusion limits arxiv 1805 02646

La búsqueda directa de partículas de materia oscura tipo WIMP se ha centrado en la escala GeV, la más sencilla de explorar porque es la escala de la masa atómica. La escala MeV ha sido muy poco explorada, pues aún no hay experimentos específicos. El primero nos lo propone Juan I. Collar (Universidad de Chicago), que acaba de publicar los primeros límites de exclusión para partículas de materia oscura tipo WIMP más ligeras que 100 MeV/c². Se han tomado datos durante 183 días en su experimento que usa detectores de centelleo comerciales de tipo EJ-301.

Por supuesto, ya se habían publicado límites de exclusión en la escala sub-GeV (entre 0,1 y 1 GeV), pero los nuevos límites llegan aún más abajo, tanto para una interacción WIMP-nucleón independiente del espín, que no diferencia entre protones y neutrones, como una dependiente del espín. Además, el experimento sigue en curso y se espera que su sensibilidad aumente hasta un factor de cien (como muestran las curvas azules a trazos en las figuras, a comparar con las curvas azules continuas). En este campo de investigación, en mi opinión, los físicos jóvenes tienen mucho que aportar, tanto a nivel teórico como experimental, en los próximos años.

El artículo es Juan I. Collar, “Search for a Non-Relativistic Component in the Spectrum of Cosmic Rays at Earth,” arXiv:1805.02646 [astro-ph.CO]. La idea de usar electrones en experimentos de búsqueda directa para explorar la escala sub-GeV es de Rouven Essig, Jeremy Mardon, Tomer Volansky, “Direct Detection of Sub-GeV Dark Matter,” Phys. Rev. D 85: 076007 (2012), doi: 10.1103/PhysRevD.85.076007, arXiv:1108.5383 [hep-ph]; los primeros límites aparecieron en Rouven Essig, Aaron Manalaysay, …, Tomer Volansky, “First Direct Detection Limits on sub-GeV Dark Matter from XENON10,” Phys. Rev. Lett. 109: 021301 (2012), doi: 10.1103/PhysRevLett.109.021301, arXiv:1206.2644 [astro-ph.CO]. Resultados más recientes en Enrico Bertuzzo, Cristian J. Caniu Barros, Giovanni Grilli di Cortona, “MeV Dark Matter: Model Independent Bounds,” JHEP 2017: 116 (2017), doi: 10.1007/JHEP09(2017)116, arXiv:1707.00725 [hep-ph].

Dibujo20180514 spin-dependent low mass MeV dark matter exclusion limits arxiv 1805 02646

Las búsquedas directas de partículas de materia oscura se centran en dos grandes frentes, los axiones con masa en la escala μeV y las partículas WIMP con masa en la escala GeV. Según las ideas teóricas de principios de los 1980 se esperaba que las partículas WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) tuvieran una masa en la escala electrodébil, unos 100 GeV, y una sección eficaz de dispersión elástica contra un núcleo atómico comparable a la de la interacción débil. Gracias a estas ideas se han diseñado multitud de experimentos de búsqueda directa de la materia oscura que exploran la energía de retroceso en las colisiones entre partículas WIMP y núcleos atómicos.

Hasta ahora todas las búsquedas entre 10 GeV y 1000 GeV (1 TeV) han sido infructuosas (lo que quizás no debería extrañar a nadie pues ni LEP, ni Tevatrón, ni LHC han encontrado nueva física en la escala GeV). Como nos recuerda el chiste, buscar las llaves bajo la luz de la farola no garantiza encontrarlas si no se cayeron allí. En el último lustro el interés de muchos físicos se está dirigiendo hacia las escalas sub-GeV y MeV. Por ello, trabajos como el de Juan I. Collar son de gran interés.

Dibujo20180514 Shielding and positioning of detectors arxiv 1805 02646

No voy a entrar en una descripción detallada del experimento, ni sobre cómo ha sido calibrado usando californio-252 como fuente de neutrones. Los interesados pueden consultar el artículo en arXiv. Solo me gustaría recordar que Collar está interesado en en las partículas SIMP (Strongly Interacting Massive Particle) cuya masa está en la escala MeV y su sección eficaz de interacción con los núcleos es mucho mayor que para las WIMP. Estas partículas han sido buscadas por experimentos como BPRS (que en los 1980 hacía búsquedas directas con fluoruro de calcio) y DAMA (que desde los 2000 hace búsquedas directas con yoduro de sodio). Se ha propuesto que una partícula SIMP en la escala MeV podría resolver el misterio de la modulación anual de DAMA/LIBRA. Sin lugar a dudas el estudio de la materia oscura en la escala MeV nos reserva muchas sorpresas.

2 comentarios

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[…] detectores de centello comerciales de tipo EJ-301 -> centelleo
Gracias por la entrada.

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