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Acotación de la masa de WIMPs

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Acotación de la masa de WIMPs

Área: EspacioFísica — Lunes, 5 de Diciembre de 2011
Si las WIMPs constituyen la materia oscura entonces tienen que tener una masa superior a los 40 GeV/c2 y por otro lado, se refuta la detección de otras de 100 GeV/c2.
Foto
Galaxias enanas estudiadas para este estudio. Fuente: NASA, DOE, Fermi-LAT Collaboration, Koushiappas y Geringer-Sameth, Brown University.
La verdad es que no se tiene ni idea de qué puede ser lo que componga esa materia oscura que constituye la mayoría de la masa del Universo. Una de las hipótesis más favoritas entre la comunidad científica es la que sostiene que la materia oscura está formada por partículas que interactúan débilmente con las demás o WIMP. Digamos que estás partículas casi sólo se verían atraídas por la gravedad y casi sólo producirían atracción gravitatoria, de ahí su efecto sobre el giro de las galaxias y otros fenómenos que parecen indicarnos que tal materia existe. 
Es aquí donde empiezan los problemas. Si sólo y estrictamente interactúan gravitatoriamente, y ese “casi” no existe, entonces la única manera de demostrar su existencia, pues el chaparrón natural de estas partículas no podría detectarse, sería usando un colisionador de partículas con la potencia suficiente como para producirlas. Con este método tampoco las podríamos detectar directamente, pero su existencia dejaría un rastro de ausencia que nos permitiría inferir su existencia. Si su masa fuera muy grande no hay ningún colisionador en activo o futuro que las pudiese generar, habría que conformarse con las producidas durante el Big Bang. Es decir, si no interactúan en absoluto salvo gravitatoriamente y tienen una masa muy grande, la hipótesis de estas partículas no sería falsable desde un punto de vista científico. Por eso es siempre importante acotar la posible masa de estas partículas.
Ahora físicos de la Universidad de Brown ha establecido un límite estricto a la masa de las partículas que supuestamente forman la materia oscura. El estudio lo publican en un PRL (Physical Review Letters). Pues bien, según ellos la masa debe ser superior a un equivalente en energía de 40 GeV. Este resultado contradice los resultados recientes en experimentos subterráneos sobre posibles detecciones de este tipo de partículas y, por tanto, arroja dudas sobre los mismos.
Savvas Koushiappas y Alex Geringer-Sameth llegan a esta conclusión basándose en datos del observatorio espacial Fermi y calculando la tasa a la que estas partículas se aniquilarían en las pequeñas galaxias que orbitan la Vía Láctea.
Si hay partículas tipo WIMP también debe haber sus correspondientes antipartículas y deben aniquilarse entre sí de vez en cuando produciendo quarks pesados y leptones en el proceso. Y la posterior aniquilación entre quarks pesados debe producir otras partículas entre las que se encuentran fotones gamma que pueden ser registrados por el telescopio Fermi.
Koushiappas y Geringer-Sameth han calculado, en sentido inverso, cómo pueden ser esas WIMPs a partir de lo datos sobre fotones gamma registrados por Fermi. Esos fotones proceden de siete galaxias enanas que orbitan nuestra galaxia y que se supone que contienen mucha materia oscura y tienen poco gas. Este tipo de galaxias son candidatas “limpias” para este tipo de estudios por su buena relación señal/ruido.
A partir de lo fotones han podido deducir la tasa de producción de quarks y finalmente la masa de las supuestas WIMPs (más bien una cota inferior).
Koushiappas sostiene que si se detectan partículas por debajo de los 40 GeV entonces no pueden formar parte de la energía oscura. Si fuese menor de ese límite, entonces la cantidad de masa oscura sería tal que el Universo no se expandiría o se aceleraría tal y como observamos.
Según resultados recientes procedentes de los detectores subterráneos DAMA/LIBRA, CoGeNT y CRESST podría haber partículas WIMPs con una masa de 7 a 12 GeV/c2, lo que está bastante por debajo de la cota calculada por estos físicos de Brown.
Quizás lo más importante de esto sea que los del grupo Fermi-LAT han llegado al mismo resultado de manera independiente. Resultado que también se publica en el mismo ejemplar de PRL.
Por otro lado, hace un tiempo, datos del satélite PAMELA basados en señales de unos 100 GeV sugerían la presencia de WIMPs por aniquilación. Estas señales han sido confirmadas ahora por Fermi, pero a la vez se descarta que el origen sean las famosas WIMPs.
Se suponía que la aniquilación entre WIMPs eran la causa de estas señales que producirían positrones. Los positrones pueden ser finalmente detectados por Fermi y otros detectores de rayos gamma gracias a su posterior aniquilación con electrones, pero Fermi no estaba diseñado para registrar positrones al no tener un campo magnético. En datos previos de Fermi no se había registrado esta señal porque sólo se consideraba la suma total de partículas y antipartículas.
Físicos de Stanford University usaron el campo magnético de la propia Tierra para distinguir con Fermi los positrones de las demás partículas.
Si el origen de los positrones fuera la aniquilación de WIMPs habría un pico en la señal que caería abruptamente para una determinada energía. Esto permitiría calcular la masa de las WIMPs.
Los datos de Fermi, filtrados por este método que considera el campo magnético terrestre, indican que la abundancia de positrones sube a los 20 GeV hasta los 100 GeV y esta señal se mantiene hasta los 200 GeV. Si esto fuera debido a las WIMPs, las hipotéticas partículas tendrían una masa 100 veces superior a la del protón, lo que encajaría con ciertas teorías.
Pero todo parece indicar que la señal sigue subiendo a energías más altas incluso por encima de lo que puede medir Fermi. En lugar de un pico en la señal hay un espectro amplio en energía, lo que descarta que sea producido por aniquilación de WIMPs. Los positrones serían generados por otras fuentes como estrellas de neutrones.
El detector AMS-02, que fue colocado en la Estación Espacial Internacional hace poco tiempo y tiene un campo magnético propio, permitirá dilucidar aun mejor esto.
En resumidas cuentas, se descartan WIMPs por debajo de 40 GeV y no se confirman las de 100 GeV. Se sabe, por tanto, un poco más sobre lo que no son las WIMPs o la materia oscura.
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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Noticia en Science.

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