COSINE-100 desfavorece una WIMP como causa de la modulación DAMA/LIBRA

Por Francisco R. Villatoro, el 6 diciembre, 2018. Categoría(s): Ciencia • Física • Materia oscura • Nature • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 4

La modulación anual DAMA/LIBRA es la señal más significativa hasta ahora de la materia oscura. Su confirmación o refutación requiere usar un detector de yoduro de sodio, como COSINE-100, ANAIS o SABRE. Se publican en Nature los primeros resultados de COSINE-100; no se observa nada tras 59.5 días de toma de datos. Se desfavorece(*) así que una partícula WIMP con una masa de unos 10 GeV/c² sea la causa de la señal DAMA/LIBRA, para una interacción con el nucleón independiente del espín. Por supuesto, para refutar de forma definitiva la modulación anual habrá que esperar un par de años de toma de datos.

La oscilación anual DAMA/LIBRA ya alcanza las 12,9 sigmas (LCMF, 03 Abr 2018). Pero desde hace una década los experimentos basados en xenón, como XENON100 (LCMF, 08 Ene 2017) y XMASS (LCMF, 28 May 2018) descartan una partícula WIMP de materia oscura con la masa y sección eficaz necesaria para explicar la señal DAMA/LIBRA. Pero no se puede descartar que la partícula de materia sea mucho más exótica. De ahí la importancia de experimentos con el mismo material en el detector, NaI(Tl), como el español ANAIS o el surcoreano COSINE-100. Ya hay explicaciones de la modulación sin materia oscura (LCMF, 07 Jul 2014), pero no convencen a los responsables de DAMA/LIBRA.

El nuevo artículo es The COSINE-100 Collaboration, “An experiment to search for dark-matter interactions using sodium iodide detectors,” Nature 564: 83–86 (05 Dec 2018), doi: 10.1038/s41586-018-0739-1 (aún no está disponible en arXiv). Más información sobre la señal DAMA/LIBRA en este blog en “La modulación anual observada por DAMA/LIBRA y la existencia de materia oscura”, LCMF, 18 Sep 2012. Más información divulgativa sobre el nuevo resultado en “COSINE-100 experiment investigates dark matter mystery,” Phys.org, 05 Dec 2018; Emily Conover, “A controversial sighting of dark matter is looking even shakier,” ScienceNews, 05 Dec 2018; Andrew Grant, “Long-standing dark-matter detection claim takes a hit,” Physics Today, 05 Dec 2018; Adrian Cho,”Underground experiment casts doubt on controversial dark matter claim,” Science News, 05 Dec 2018; etc.

(*) He cambiado “descarta” en el título y en el texto por “desfavorece”, porque quizás es aún pronto para “descartar” nada en esta cuestión. Gracias, Avelino Vicente‏ @AvelinoQuantum, por comentarlo.

El detector COSINE-100 está en el Laboratorio Subterráneo de Yangyang, Corea del Sur, y comenzó la toma de datos en 2016. Está formado por ocho cristales de yoduro de sodio dopado con talio, NaI(Tl), con una masa total de 106 kg. Estos cristales de muy alta calidad y bajos niveles de contaminación radiactiva se encuentran sumergidos en 2200 litros de líquido centelleador. El nuevo resultado corresponde a 59.5 días de toma de datos entre el 20 de octubre de 2016 y el 19 de diciembre de 2016.

El análisis se basa en los seis cristales de mayor calidad, que alcanzan una sensibilidad de 2 keV; se han descartado los otros dos que solo alcanzan 4 keV y 8 KeV. Estos números son resultado de su calibración en energía y medida de su eficiencia basados en desintegraciones de potasio-40. Para estudios de la modulación anual (tras la toma de datos durante un par de años), dichos cristales también serán usados.

Esta figura muestra los datos observados y las predicciones teóricas para una partícula WIMP con una masa de 10 GeV/c² (la curva roja con dicha partícula y la curva azul sin ella). Los datos se ajustan muy bien con la hipótesis nula, es decir, ausencia de dicha partícula candidata a materia oscura. Se han realizado estudios similares para 18 posibles partículas con masas entre 5 GeV/c² y 10 TeV/c² con idénticos resultados. Así se han obtenido los datos que aparecen en la curva de exclusión de la figura que abre esta entrada.

En resumen, habrá que estar al tanto del progreso de los experimentos COSINE-100 y ANAIS durante el próximo año. Pero por ahora todo apunta a que la modulación DAMA/LIBRA tiene un origen que no tiene nada que ver con la materia oscura.



4 Comentarios

  1. No te ha salido el enlace a tu otra entrada.
    Me refiero a esta frase:
    “Ya hay explicaciones de la modulación sin materia oscura (LCMF, 07 Jul 2014)”

    Muchas gracias por la entrada, como siempre 😉

  2. El atractivo teórico original de la supersimetría es profundo: facilita la integrabilidad en las teorías cuánticas de campos y facilita la unificación de las interacciones, todo a ello a alta energía. Una SUSY a baja energía es poco atractiva, per se.

    Para hacer atractiva la SUSY para los físicos experimentales, que llevan estudiando la escala electrodébil desde los 1980 y siguen en ello, se planteó la posibilidad de que resolviera ciertos problemas de dicha escala. Podía resolverlos sin forzar la teoría, luego se llamó solución “natural” a dicha solución, aunque su escala de energía no era muy baja y no había hasta entonces ningún indicio de la SUSY. Pero dicha solución tiene sus propios problemas, como exigir un Higgs con masa inferior a 100 GeV, y estirando todo lo posible inferior a 125 GeV; con un Higgs en el borde superior dicha solución “natural” deja de ser “tan” natural (requiere ajustes finos). Así que es de esperar que no se observe la supersimetría por debajo de 1 TeV; pero como sabemos buscarla, usamos la excusa de que puede esconderse en muchos lugares. Por ello no perdemos la esperanza de encontrarla por debajo de 10 TeV (el LHC no podrá explorar casi nada de esta región). Y a finales de este siglo se la seguirá buscando por debajo de 100 TeV. La Naturaleza a veces nos ofrece sorpresas y encontrar la supersimetría en estas escalas será toda una sorpresa.

    Por otro lado, no hay ninguna razón firme para que la partícula WIMP sea supersimétrica; en la búsqueda de materia oscura se usa una teoría efectiva que no impone dicha condición de forma explícita; aunque los candidatos supersimétricos son muy “naturales” si la SUSY es “natural” en la escala O(TeV).

    Y, finalmente, que Sabine y otros digan que es “marketing engañoso” no significa que lo sea. El LHC explora una escala de energía no explorada y en esta tarea su labor está siendo todo un éxito. Quien no lo vea se autoengaña.

    Saludos.

    1. Hay que evitar caer en los equivocados e interesados “argumentos” de Sabine. Por un lado es legítimo e incluso necesario abrir un debate sobre si es conveniente gastar dinero y recursos en fabricar nuevos aceleradores de partículas teniendo en cuenta los resultados del LHC pero es que esto es una obviedad que utiliza Sabine para erigirse en una especie de “líder” de la lucha contra el “mainstream” de los “estúpidos” científicos que despilfarran recursos en buscar cosas absurdas como la “belleza” de la naturaleza. ¿Es que no te das cuenta de lo inutil y contraproducente de su argumentación? Además de inútil e interesada, su argumentación y por tanto la tuya es totalmente equivocada: por un lado existen muchos otros proyectos de investigación experimental para ir más alla del SM aparte de los aceleradores (rayos cósmicos, neutrinos, desintegración del protón, búsqueda de monopolos magnéticos, desviaciones de la gravedad, desviaciones de lineas espectrales, interferometría, el propio proyecto LIGO, etc) ¿Donde ves tu el “atasco” de la Física? y por otro lado (y esto es lo que de forma increíble la propia Sabine parece desconocer) existe un arma de inmenso poder que la Física teórica moderna lleva décadas utilizando: el poder de las Matemáticas. Combinando las Mátemáticas y las leyes Físicas conocidas podemos inferir propiedades del mundo Físico real que deben cumplirse aunque su verificación experimental DIRECTA sea difícil o incluso imposible. Entender esto es clave. Te voy a poner dos ejemplos:
      1) La radiación de Hawking: Posiblemente nadie nunca jamás va a medir DIRECTAMENTE la radiación de un agujero negro, sin embargo, todas las leyes físicas conocidas (termodinámica,teoría cuántica, QFT, etc) nos indican que esta radiación TIENE QUE EXISTIR. Por esto, ningún Físico serio (entre los que no se encuentra Sabine) que entienda los principios en los que se basó Hawking en su desarrollo duda de su existencia.
      2º) La dualidad ADS/CFT: Aún no existe una prueba Matemática rigurosa (ni experimental) de su validez, pero existen innumerables indicios, pruebas de consistencia no triviales, pruebas indirectas, desarrollos teóricos, cálculos Matemáticos, etc que nos indican su validez.
      Resumiendo: Hay mucho más que aceleradores de partículas en la Física fundamental, como te ha explicado Francis más arriba conceptos como SUSY no se inventaron por “capricho” de los Físicos sino que su origen es mucho más profundo, responde a criterios de simetría, de consistencia, de una unificación (observada incluso experimentalmente a baja energía) de las fuerzas fundamentales… estas y muchas otras cosas es a lo que los Físicos teóricos se refieren cuando hablan de “belleza”, una belleza que “físicos” frustrados como Sabine no saben apreciar, una belleza que por supuesto existe en la naturaleza, una belleza que guió a Einstein a desarrollar la relatividad y que está conduciendo a las mentes más brillantes de la actualidad a descubrir los secretos más profundos del propio espacio-tiempo en el que habitamos. ¿Quién se va a perder todo esto por seguir los estúpidos desvaríos de Sabine?

  3. No offense! No se si he entendido bien; ¿qué la partícula que compone la materia obscura no se ha encontrado aún, que se está buscando y que según la teoría de cuerdas debido a la “supersimetría” se sabe como es (y eso da validez a la teoría) y que hay físicos que creen que todo esto es marketing para sacar fondos y seguir con esas investigaciones?
    No creo que lo haya entendido bien, supongo que la física, las matemáticas y la experimentación son suficientemente exactas para convencer al más escéptico. Aunque se reconozca que lo que no sabemos no se sabe ¿no?
    Y desde luego, sin acritu, considero al Sr. Francis bastante riguroso en este aspecto que comento.

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