Aumenta el misterio de la materia oscura

Aumenta el misterio de la materia oscura

El telescopio espacial puede haber vislumbrado la clave de las misteriosas partículas.
Eric Hand

[La verdadera comprensión del Fermi de la materia oscura puede provenir de sus estudios con rayos gamma. NASA ]

Nuevos datos de dos experimentos –uno en el espacio y otro con un globo flotando sobre la Antártida– proporcionan nuevas pistas en la tentadora detección de la materia oscura, el misterioso componente del 85% de la materia del universo. La prueba es un exceso comprobado de electrones de alta energía y de sus homólogos de la antimateria, los positrones, que podrían crearse cuando las partículas de materia oscura se aniquilan o decaen.

La señal del Fermi, el telescopio de rayos gamma en órbita, es sutil, mientras que la detectada por el Calorímetro Avanzado de Baja Ionización (CABI) a bordo del globo es mucho más pronunciada. Las diferencias son sorprendentes, pero los resultados –según algunos– podrían anunciar el nacimiento de una nueva era en la exploración de la materia oscura.

“Podemos estar viendo el comienzo de la era del descubrimiento”, afirmó Dan Hooper, teórico del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi en Batavia, Ilinois, que no está implicado en ninguno de los experimentos.

Peter Michelson, investigador principal del instrumento del Fermi que hizo la detección, advirtió que su grupo aún no ha declarado haber encontrado la evidencia irrefutable de la materia oscura. La señal podría provenir de fuentes cotidianas más cercanas, tales como los púlsares o restos de supernovas. “Pero si no son púlsares, es una nueva física”, declaró Michelson, de la Universidad de Stanford en California.

Los resultados del Fermi fueron presentados en la reunión del 2 de mayo de la Sociedad Americana de Física en Denver, Colorado, que se han publicado esta semana en Physical Review Letters1.

Los resultados del CABI, publicados en la revista Nature en noviembre2, son más provocativos. Muestran un aumento en el exceso de energía de los electrones de entre 300 y 800 gigaelectronvoltios (GeV), un pico que podría indicar la masa de las partículas asociadas de materia oscura. Al principio, los resultados del Fermi y el CABI parecen incompatibles, porque Fermi no ve el mismo aumento en el rango de 300 a 800 GeV. Con los datos del Fermi, “éste [el resultado del CABI] parece poco razonable”, afirmó Mark Pearce, del Instituto Real Sueco de Tecnología y miembro del equipo de un experimento relacionado, el PAMELA (carga para exploración de materia/antimateria y astrofísica de núcleos ligeros).

Pero el CABI no se retracta de sus afirmaciones. El trabajo publicado en noviembre se basaba en los datos de dos globos. El 4 de mayo, Gregory T. Guzik, de la Universidad Estatal de Luisiana, en Baton Rouge, presentó los resultados preliminares de un tercer vuelo de diciembre de 2007, llevado a cabo con un detector mejor. El fuerte pico todavía estaba allí. En cualquier caso, él no está seguro de que los dos resultados sean realmente incompatibles: el CABI tiene más seguridad en el cálculo de la energía de los electrones en este pico, mientras que el Fermi ha conseguido mucha más información. “Mi sospecha es que podríamos venirnos abajo, mientras que subiría el Fermi”, aseguró Guzik.

El tercer experimento, PAMELA, parece más coherente con los resultados del Fermi obtenidos hasta la fecha. Ha descubierto un aumento en la fracción de positrones, que, siendo menos frecuente, podría ser una señal más clara de la materia oscura3. Pero el PAMELA sólo ha presentado datos de energía de hasta 100 GeV, no tan alta como los del Fermi o el CABI.

El efecto de los rayos gamma
Hasta ahora todos los experimentos han demostrado la presencia de materia oscura sólo de forma indirecta. Y la señal puede ser borrosa y sucia, ya que los electrones moviéndose a toda velocidad a través del espacio pierden energía al ser agitados por los campos magnéticos galácticos circundantes.

Una manera de soslayar ese problema sería estudiar los rayos gamma, que también se producen en la aniquilación y descomposición de la materia oscura, pero son inmunes a los campos magnéticos. Por lo tanto, muchos piensan que los científicos del Fermi, quienes hicieron sus primeras afirmaciones sobre materia oscura basadas en datos de electrones, llevarán a cabo el trabajo definitivo con los detectores de rayos gamma, lo que podría no sólo determinar la masa de las partículas de materia oscura con mayor precisión, sino también determinar de dónde proviene la señal espacial.

La señal más fuerte de rayos gamma se espera en el centro de la Vía Láctea, pero también es ahí donde será más difícil separar la señal de otras fuentes de confusión. El Fermi también está buscando materia oscura flotando cerca de la Vía Láctea, donde los investigadores informaron el 3 de mayo de evidencias de una “zona caliente” de rayos gamma, que es probable que desaparezca con un examen más detallado, pero indica los hallazgos futuros de rayos gamma. Finalmente, el Fermi también puede dirigir su mirada a los polos galácticos y observar el espacio extragaláctico, donde puede encontrar evidencias de una sutil red de materia oscura. Esto podría ser muy importante a la hora de limitar los modelos cosmológicos que predicen el crecimiento de la estructura del universo: cómo se fusionaron las galaxias en torno al germen inicial de la materia oscura.

Pero todo esto requiere que el Fermi recoja datos al menos durante un año. Y por ahora, los datos de los electrones parecen servir bien a la comunidad. El lunes, los teóricos ya habían reajustado sus modelos sobre la materia oscura para que fueran coherentes con los nuevos resultados del Fermi. Durante muchos años, los modelos predijeron que la energía de las partículas de materia oscura estaría alrededor de los 100 GeV. Pero los nuevos datos –especialmente los del Fermi– apoyan los modelos que producirían partículas de al menos un orden de magnitud mayor, en la escala de los teraelectronvoltios.

Esto no sólo significa que el Fermi, con su capacidad de sonda en ese rango de energía, será crucial para investigar la materia oscura, sino que también tiene implicaciones para los colisionadores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones de Ginebra, Suiza. Muchos de sus investigadores esperan generar unas pocas partículas en sus colisiones. Pero cuanto mayor sea la masa, más difícil será para el colisionador verlas.

Si los resultados actuales del Fermi se mantienen, aseguró Hooper, “será muy difícil para el colisionador ver lo que está detrás de la materia oscura”.