La pesadilla de las WIMPzillas estériles

La pesadilla para quienes buscan la partícula que explica la materia oscura tiene nombre: WIMPzilla estéril. Una hipotética partícula X con una masa en la escala GUT que solo interacciona por vía gravitacional con el resto de las partículas del modelo estándar. Estas partículas se producirían al final de la inflación y estarían desacopladas desde entonces del resto de las partículas conocidas. Siendo partículas estériles, su búsqueda directa o indirecta es inútil. Siendo su masa tan enorme, entre 10¹² y 10¹⁵ GeV/c², pongamos 10¹³ GeV/c², su producción en un colisionador es imposible. El término WIMPzilla fue acuñado por Rocky Kolb combinando WIMP y Godzilla, y se publicó en un artículo de Kolb, Chung y Riotto en 1998.

Todo candidato que pretenda explicar la materia oscura debe ir acompañado de una teoría que explique su origen: cómo se produce en el universo primordial la cantidad justa y cómo se alcanza un equilibrio térmico con el resto de las partículas del modelo estándar. Hacerlo es fácil para una partícula WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) gracias al llamado «milagro WIMP», pues se conoce un buen mecanismo de producción primordial de una partícula de masa (casi) arbitraria cuyo acoplamiento con el modelo estándar sea similar al de la interacción electrodébil (es decir, al de los neutrinos). Por ello la búsqueda directa de la materia oscura se ha centrado en las partículas WIMP, aunque solo en el rango de masas similar a la de los elementos de la tabla periódica por cuestiones técnicas. Por desgracia, todas las búsquedas hasta ahora han sido infructuosas incluso para acoplamientos por debajo del esperado para el «milagro WIMP». Así, muchos físicos ya no creen en este «milagro».

Esta semana en Twitter nos ha recordado esta pesadilla Will Kinney‏, @WKCosmo, al hilo de una pieza de Sabine (Bee) Hossenfelder, @skdh, «Brace for the oncoming deluge of dark matter detectors that won’t detect anything,» Backreaction, 18 Jun 2019. Según Bee hay que dejar de gastar dinero en las búsquedas directas, para concentrarlo en las búsquedas indirectas y las evidencias astrofísicas. Sobre WIMPzillas recomiendo Ethan Siegel, «Forget WIMPs, Axions And MACHOs: Could WIMPzillas Solve The Dark Matter Problem?» Starts With A Bang!, 16 may 2018.

El artículo con la propuesta original (y una sorprendente figura 7 con la imagen de Godzilla) es Edward W. Kolb, Daniel J. H. Chung, Antonio Riotto, «WIMPZILLAS!» arXiv:hep-ph/9810361 (14 Oct 1998); también recomiendo Daniel J. H. Chung, Edward W. Kolb, Antonio Riotto, «Superheavy dark matter,» Physical Review D 59: 023501 (1998), doi: 10.1103/PhysRevD.59.023501arXiv:hep-ph/9802238.

Las constantes de acoplamiento de las tres interacciones fundamentales (electromagnética, débil y fuerte) casi se unifican a una energía de unos 10¹⁵ GeV. Se supone que más allá existe una teoría de gran unificación (GUT) con un simetría mayor, como SO(10) o E6, con o sin supersimetría; a dicha escala de energía ocurre una rotura espontánea de la simetría que separa las tres interacciones. Las partículas asociadas a dicha supuesta teoría unificada se suelen llamar partículas X y tienen una masa en la escala GUT. Se supone que dichas partículas tienen una (hiper)carga, sea R, que no poseen las partículas del modelo estándar; por tanto, son estables (o al menos metaestables con una vida media mucho mayor que la edad del universo) y no pueden decaer en partículas de menor masa del modelo estándar. Así estas partículas pueden permanecer como reliquias de la época inflacionaria y alcanzar un equilibrio térmico tras la fase de recalentamiento. Su abundancia actual se puede ajustar para que coincida con la densidad energética asociada a la materia oscura.

En mi opinión, todavía es pronto para tener que recurrir a la «pesadilla WIMPzilla». Will Kinney‏ dice que XENON1T ya ha descartado a más de 3 sigmas el mejor ajuste para las predicciones de los modelos efectivos mínimos para las partículas WIMP (por ejemplo, la estrella verde sin relleno en estas figuras). Por supuesto, lo milagroso del «milagro WIMP» es que las predicciones pueden superar la barrera del fondo de neutrinos (por ejemplo, la estrella verde con relleno en estas figuras). En dicho caso, aunque las búsquedas directas de materia oscura fueran infructuosas en la década de los 2020, tendrían que seguir siendo financiadas futuras búsquedas en la década de los 2030 que de algún modo superen la barrera neutrínica. Por cierto, estas figuras son del artículo E. Bagnaschi, …, J. R. Ellis, …, G. Weiglein, «Likelihood analysis of the minimal AMSB model,» The European Physical Journal C 77: 268 (Apr 2017), doi: 10.1140/epjc/s10052-017-4810-0arXiv:1612.05210 [hep-ph] (15 Dec 2016).

Te preguntarás por qué cito el artículo de Bagnaschi et al., entre las decenas que hay con estimaciones similares. La razón es que Will Kinney‏ acompaña su hilo en Twitter con esta transparencia de la charla de Andrea Molinario (XENON collaboration), «The XENON Dark Matter Project at Gran Sasso National Laboratory,» PATRAS 2019 [PDF slides]. En su charla, Molinario ilustras el éxito de XENON1T destacando que los límites de exclusión logrados están por debajo del mejor ajuste ofrecido en el artículo de Bagnaschi et al. (la estrella verde sin relleno de más arriba). Supongo que esta es la razón por la cual Kinney selecciona esta figura en su hilo tuitero.

En resumen, ¿hay que seguir financiando los experimentos de búsqueda directa de la materia oscura de tipo WIMP? Sí, sin lugar a dudas. Para avanzar hacia la solución de este gran misterio de la Física del siglo XXI hay que escuchar a la Naturaleza. No podemos desperdiciar la oportunidad que ofrece que nuestro planeta atraviese el halo de materia oscura de nuestra galaxia. ¿Se deben financiar futuros telescopios espaciales que obtengan mapas muy detallados de la distribución de la materia oscura y que exploren sus posibles autointeracciones? Por supuesto, pero me parece que las respectivas fuentes de financiación son disjuntas y no es necesario que entren en conflicto mutuo.



21 Comentarios

  1. Estas partículas únicamente interaccionarían con la fuerza gravitatoria que es demasiado débil para nosotros para medirla sobre partículas individuales y solo la apreciamos con bastante cantidad ¿correcto? Primero ¿no podrían generarse partículas de ese tipo en en la actualidad en fenómenos muy energéticos extremos del cosmos o aún se formarían por encima de esas cantidades? Si se formaran en procesos muy energéticos entonces seguramente tendrían una energía cinética alta diferente al resto de materia oscura ¿no? ¿no se podría formar algún chorro que pudiera detectarse de algún modo su paso de forma que lo delatara del resto? ¿hay propuestas teóricas para poder observar experimentalmente la gravedad funcionando a escalas menores del milímetro de entrada y luego un universo mucho más pequeño y de paso poder saber algo de la gravedad a escala reducida y tal vez poder captar algo de esto o es imposible? Si se la captado ondas gravitatorias que es otra cosa y tiene una longitud de onda y superfície suficientemente grande más pequeñas que un núcleo atómico ¿no habría nada para pillar el paso la longitud de onda en el campo gravitatorio de algo así y de paso también detectar gravitones? ¿o no tiene sentido o es imposible a todas luces?

  2. Lo de esta señora (Sa****) roza ya el esperpento. ¿Quien demonios se ha creído que es para decidir en que se debe de invertir y en que no? ¿Debemos parar todos los experimentos de búsqueda directa de WIMPS por que ella lo diga? A lo mejor es que ella estuvo presente en los primeros instantes de la creación del Universo o en la fase GUT y sabe ya la respuesta al enigma de la materia oscura 🙂 Yo no entiendo como personas que se supone que sienten fascinación por dar respuesta a los grandes problemas de la Física pueden tener actitudes tan anticientíficas.
    Todos tenemos ganas de resolver por fin el misterio de la materia oscura y si además la respuesta arroja luz sobre otros enigmas pendientes mucho mejor (en este sentido el axion sería el que menos aportaría, algún tipo de neutrino nos podría decir algo pero una partícula SUSY o una partícula de KK nos pondrían sobre la pista de algo mucho más gordo…) pero nadie ha dicho que la búsqueda sea fácil. Lo que no podemos hacer es dejar de buscar porque unos cuantos supuestos «científicos» o «divulgadores» que nunca han aportado nada al campo se sientan frustrados por que la naturaleza no les de las respuestas que quieren cuando ellos quieren. En mi opinión está claro que el Universo que vemos conforma solo las «cenizas» de un Universo de alta energía gobernado por leyes físicas que obedecen a una «estructura Matemática fundamental». Es decir, el SM es solo una teoría efectiva a baja energía de una teoría superior mucho más fundamental por tanto es ridículo pensar que el SM es todo lo que existe. La pregunta es ¿Podremos encontrar, con nuestra tecnología presente o futura pruebas experimentales de esta teoría fundamental? Ahora poseemos interferómetros con una precisión increíble, detectores de ondas gravitatorias, telescopios, redes de radiotelescopios con una resolución efectiva impresionante, nuevos materiales para mediciones ultraprecisas… y físicos teóricos brillantes con toda la información recogida por la humanidad a un solo «click» de distancia, nunca antes tuvimos tantos medios, nunca hubo tantos científicos preparados ¿Llegarán pronto las respuestas?

  3. Muy interesante artículo, Francis. Gracias por divulgar.

    Solo una pregunta. Si finalmente la pesadilla es real, ¿que consecuencias espistemologicas tendría?

    1. <> Estoo. Hay diversas formas de comprobar que eso está ahí, que no es una fantasía que solo existe en la fantasía sino que hay evidencia gravitacional, que interacciona en al menos una de las fuerzas de la naturaleza, que se puede escindir de la materia bariónica (no es una versión de MOND o algo así). Es decir que su existencia sí es falsable por la naturaleza. El problema son el resto de propiedades que pueda tener y se hayan de derivar de modelos o teorías probadas ciertas y falsables por la naturaleza que nos indiquen cuales puede ser y si esas propiedades son indecidibles por los modelos comprobados y no las podemos comprobar de ninguna forma deberían quedar como hipótesis. ¿Podremos tener entonces un modelo de teoría unificada si no puede ser falsado o comprobado por la naturaleza porque esta es esquiva en este punto y este quede fuera de nuestro acceso? la cuestión es intentar encontrar formas de acceder y mientras tener las propuestas en rango de hipótesis no probada pero como candidatas y en lugar de tener una teoría unificada definitiva tal vez tener un rango de ellas e intentar acotar con trucos

      1. Suzudo:

        Deja de escribir tanta incongruencia. El asunto de la «infalsabilidad» no viene al caso, de hecho nada de lo que escribes.

        Si el escenario de pesadilla es el caso en la naturaleza (muy difícilmente) simplemente construye un acelerador que explore la escala de gran unificación, punto. Otras elucubraciones son solo ruido.

        1. NO descalifiquemos. No hay nada incongruente en lo que escribo y es fundamental lo que he dicho <> Si hubieras entendido en lugar de saltar te habrías dado cuenta que con lo que digo estoy hablando de que son falsables. Primero no podemos hacer eso que propones y tal vez jamás se pueda. Pero por falta de capacidad. Y eso es importante y tiene relación con lo que he dicho. Segundo, en caso de hacerse lo que dices es posible que continuáramos sin ver la materia oscura en sus propiedades fuera de la gravedad y la ausencia de energía que haya ido a otras partículas sí detectables. Es decir una ausencia en el resultado y además aparecer una manifestación extra mediante la fuerza gravitatoria correspondiente a esa ausencia. Lo que decía que a efectos epistemológicos del conocimento la matería oscura así propuesta sí sería ciencia legítima y sí se podría analizar como para saber de su existencia y algunas propiedades. Y de como abordar los límites. No está mal dicho lo que he dicho

          1. Suzudo:

            No hay nada que elucubrar aquí, si este escenario es cierto (lo cual es altamente implausible) la ciencia seguirá exactamente igual en métodos y formas; la única forma de averiguarlo es hacer exactamente lo mismo que se hace ahora, luego todo sigue igual y fin.

            La gente que considera que pudiese ser imposible en el práctica explorar la escala de gran unificación en en el futuro son trols mediocres a los que no les interesa la física, nunca los escucharás hablar o hacer física de verdad.

    2. Samu:

      Las consecuencias epistemológicas no son radicales.

      La búsqueda de materia oscura tiene como objetivo entender la estructura microscópica de esta componente del universo, si este escenario de Wimpzillas fuese correcto, entonces tendremos que esperar a construir aceleradores que puedan probar la escala GUT en donde a la manera usual podamos explorar las propiedades de las partículas de materia oscura. Eso es todo.

      Pero conviene enfatizar enérgicamente: La física de la materia oscura en los niveles astrofísico y cosmológico (y que no requiere un conocimiento preciso de la composición de esta) es extraordinariamente rica y suficientemente interesante para mantener a los físicos ocupados muchísimas décadas más. Por no mencionar que un sector de materia escura completamente desacoplado del modelo estándar hasta la escala GUT no excluye la presencia de nueva física como axiones, supersimetría u otras componentes de materia oscura entre la escala electrodébil y la de gran unificación.

      Saludos.

      1. «entonces tendremos que esperar a construir aceleradores que puedan probar la escala GUT en donde a la manera usual podamos explorar las propiedades de las partículas de materia oscura»

        ¿Y qué tamaño debería tener tal acelerador (algunos hablan de una circunferencia del tamaño del sistema solar completo)? ¿Realmente crees que está o estará en los próximos siglos o milenios dentro de nuestra capacidad tecnológica poder hacer algo así? ¿Es siquiera posible construir (en la práctica) semejante aparato sin que reviente o falle en algún punto de todos esos millones de kilómetros, sin contar con los recursos y tiempos necesarios para fabricar algo como eso?

        En fin, que mucho me temo que si la pesadilla es «real» las consecuencias epistemológicas (prácticas) SÍ son MUY radicales.

        Un saludo.

        1. Samu:

          Es una estupidez pensar que la única forma de aumentar la energía de un colisionador es aumentando el radio de la circunferencia. Es exactamente análogo a pensar que las computadoras tienen que ser más grandes para ser más poderosas.

          Y no, las consecuencias «epistemológicas» no son radicales. Las maneras en las que se hace ciencia vendrán a ser exactamente las mismas y aprenderemos mucho en el proceso.

          1. Ahora parece que hay tecnología laser para acelerar partículas que puede aumentar un montón. Pero ¿de qué energía se habla concretamente para crearlas? Y ¿Cómo las vemos? ¿por ausencia de energía llevada por algo?

          2. «as maneras en las que se hace ciencia vendrán a ser exactamente las mismas y » Hombre, claro. Eso se ha de proteger.

      2. https://gizmodo.com/we-could-solve-the-mysteries-of-time-and-space-if-we-ha-1829207595 (James Beacham)

        “It’s entirely possible that gravity and the other forces of nature unify at some extremely high energy, but to investigate the question we’d need to build an LHC-style collider circling around the outer edge of the Solar System, or larger. An ideal summertime project.”

        «Unfortunately, Beacham’s dream experiment is currently impossible:

        The technology, person-power, and resources to construct a particle collider circling around the outer edge of the Solar System simply don’t exist. Even if we just use the existing accelerator and detector technologies like those we use at the LHC, the challenge is scale, in a very practical sense: It’s unclear as to whether there is even enough accessible material available in any Solar System sources—the Earth, the Moon, the planets, asteroids, etc.—to build such a structure.

        And to accelerate protons to such high energies, even those at the LHC, we use superconducting magnets. Magnets only attain the property of superconductivity if you make them very cold. You might think that that would be a benefit of building a particle accelerator in space. Space is very cold! Alas, it’s not cold enough for superconductivity, though. Outer space is at 2.7 K, but the magnets need to be at 1.9 K. Close doesn’t cut it. At the LHC we achieve these temperatures with liquid helium. It’s unclear as to whether there is enough accessible liquid helium anywhere in the nearby universe to cool a circular accelerator that stretches around the outer edge of the Solar System.»

      3. <> o no. O no se pueda hacer jamás. Sí era pertinente todo lo que había dicho antes y venía a colación. No se pueden dar por hecho las cosas así de antemano. Y no se pueda explorar a la manera usual porque ya tenemos aceleradores de partículas de energías extremas naturales que es una de las cosas que apuntaba de utilizar en lo que decía y me preguntaba si se podía. Energías que tal vez no podamos alcanzar nosotros nunca pero la naturaleza alcance a veces en procesos cosmológicos.

        1. No es pertinente Suzudo. La única forma de descubrir la verdad es experimentando de la forma en que ya se hace, si no se encuentra nada, se seguirá haciendo lo mismo y si se encuentra algo continuaremos haciendo lo mismo. Todo lo demás que se diga ni viene al caso ni sirve.

          Las personas que hablan de refinanciar son anti-científicas, como bien dice Francis: no se dan cuenta que la financiación es disjunta, no entienden la importancia de la física de precisión del modelo estándar, suponen plausibles escenarios implausibles (como el de esta entrada) y la no existencia de nueva física en una ventana de más de catorce ordenes de magnitud basados en … en … nada en particular, sólo palabras.

          1. <> Es que eso es lo que he dicho. He ido cosa por cosa y si no se puede buscar la forma pero dentro de las reglas no fuera de ellas. Creía que se me había entendido. Así que sí es pertinente si se entiende que he dicho exactamente. También que la verdad no se puede descubrir solo certezas limitadas pero la certeza absoluta o la verdad solo está en la lógica y las matemáticas. Vamos que no se termina de alcanzar pero se ha de aceptar que es así

    1. No, que yo sepa.

      El SM no prohíbe su existencia y es sabido que el SM es incompleto.

      Las observaciones son las que nos dicen que algo hay ahí.

        1. El modelo estándar no predice la materia oscura. Ahora bien el modelo estándar es una teoría de unificación de la fuerza fuerte, débil y electromagnética. La débil y la electromagnética están unificadas bien en la electrodébil (stephen Weinberg etc) . Se ve que al aumentar la temperatura hacia la unificación convergen perfectamente. Pero si usas el modelo estándar y se sube la temperatura las tres fuerzas convergen bastante pero no llegan a unificar… Si se usa supersimetría. Si se supone que a altas temperaturas (a saber cuales) existen partículas supersimétricas de las del modelo estándar de forma que los fermiones actúen como bosones y los bosones hagan de fermiones entonces sí unifican las 3 fuerzas. Eso sería unas partículas mucho más masivas y que presentan dudas y se han propuesto para materia oscura pero no se han detectado aún por ahora. Ahora bien con esto en la mano habría unas partículas estables, una compuesta de supersimétricas denominada neutralino (con carga neutra, el neutrón no es estable y tiene un momento magnético a pesar de la carga neutra) el protón y el electrón (al menos) y eso encaja de perlas con eso de la materia oscura y no es algo ad hoc… Pero ninguna comprobación se ha tenido. Y las partículas podrían escaparse a nuestra capacidad de detección o a saber… Además hay otros candidatos. Se puede ampliar el modelo. Etc.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 23 junio, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Materia oscura • Noticia CPAN • Physics • Science
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