¿Una señal de materia oscura en Fermi?

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Artículo publicado por Jester el 17 de abril de 2012 en Résonaances

La búsqueda de materia oscura en los rayos cósmicos es una tarea digna de Sísifo. Una analogía sería buscar una nueva física en el LHC sin saber la función de distribución de partones dentro del protón. Aun así, recientemente hemos sido testigos de varios excesos astrofísicos (positrones en PAMELA, electrones en Fermi) que los teóricos de partículas han reconocido como “materia oscura” y los astrofísicos como “púlsares o alguna otra cosa”, ambos con argumentos igualmente sólidos. El sentimiento es que el descubrimiento inequívoco de materia oscura en rayos cósmicos es imposible, aunque perfectamente podríamos descubrir materia oscura mediante otros medios y luego usar la astrofísica para restringir sus propiedades.

Sin embargo, hay una excepción a esta regla. La tradición dice que sólo la materia oscura puede producir una línea de fotón monocromático; todos los fenómenos cósmicos estándar que conocemos producen un espectro continuo de fotones que normalmente pueden aproximarse bien mediante una ley exponencial. Por otra parte, la línea de rayos gamma puede producirse fácilmente mediante la aniquilación de partículas de materia oscura de escala débil en el centro galáctico. Actualmente, la velocidad media de las partículas de materia oscura de nuestra galaxia es aproximadamente 1/1000 la velocidad de la luz, por tanto están prácticamente en reposo desde el punto de vista de la cinemática relativista. Si dos partículas de materia oscura se encuentran y se aniquilan formando 2 fotones (o un fotón y una partícula neutra adicional) la conservación del momento implica que la energía de los fotones resultantes debe ser igual a la masa de la materia oscura. Por tanto una observación de una línea de rayo gamma desde el centro galáctico se consideraría como la pista decisiva de la presencia de materia oscura, y como bonus nos daría una estimación de la masa de la partícula de materia oscura.

Cielo en Rayos Gamma por Fermi © by NASA Goddard Photo and Video


Suena demasiado bien para ser cierto y, por supuesto, hay un truco. La materia oscura es… bueno… oscura, por lo que no se acopla directamente a fotones. En un modelo genérico de materia oscura, la aniquilación por pares en fotones es un proceso en bucle cuya tasa es órdenes de magnitud menor que la aniquilación en otras partículas en el Modelo Estándar. Esta última no produce una línea de fotón sino un espectro continuo (por ejemplo, la aniquilación en electrones produciría fotones a través de la desaceleración radiactiva del estado final). Por esta razón, un modelo aleatorio del zoológico no predice una línea de rayos gamma en un nivel observable, dadas las restricciones actuales sobre el flujo del continuo de rayos gamma. No obstante, existen un puñado de modelos donde la aniquilación por pares en fotones mejora por encima de la expectativa nula, y la línea resultante es potencialmente observable, ver ejemplos aquí o aquí.

El pasado viernes apareció un nuevo artículo en arXiv que afirma que la línea de rayos gamma ¡aparece en los datos recopilados durante los últimos 4 años por el satélite Fermi! La línea puede hallarse mediante un sofisticado análisis que selecciona la región del cielo con la proporción óptima de señal-ruido de fondo dependiendo del perfil de densidad supuesto para la materia oscura. Tal análisis revela un aumento sobre el continuo de rayos gamma cerca de los 130 GeV. Esto correspondería a una partícula de materia oscura con una masa de 130 GeV que se aniquila en 2 fotones (o una partícula de 145 GeV que se aniquila en un bosón γ+Z, o una partícula de 155 GeV que se aniquila en una γ+Higgs). El significado local del aumento es de 4,6 sigma, o 3.3 sigma después de que se tenga en cuenta en efecto de mirar en todos sitios. El mejor ajuste para la sección transversal está ligeramente por encima de 10-27 cm3/s, que es una sección transversal típica para los procesos de interacción débil, y aproximadamente 1/10 del total de aniquilación de la sección transversal esperada si la materia oscura es una reliquia térmica del Big Bang.

Debería apuntarse que el análisis no se ha realizado por la colaboración Fermi, sino por personas externas. Al contrario que en la física de partículas, los datos recopilados por los experimentos astrofísicos a menudo están disponibles de forma pública para cualquiera con suficiente habilidad y determinación. Desde luego, el análisis de personal externo tiene menos peso debido a que se requiere cierta información relevante para evaluar con precisión los errores sistemáticos, y esto sólo lo conocen los miembros de la colaboración. No obstante, en el pasado, al menos un descubrimiento en los datos de Fermi fue reclamado inicialmente en un análisis independiente y posteriormente confirmado y bendecido por la colaboración. En el caso que nos ocupa, los miembros de la colaboración admiten extraoficialmente que la línea está presente en sus datos, aunque con una menor significación estadística de lo que se afirma en el artículo.

Claramente, en este punto aún no podemos afirmar que se haya observado una señal de materia oscura. Pero el exceso parece lo bastante interesante como para echar un ojo a futuros desarrollos y esperar un comunicado oficial de la colaboración.


Autor: Jester
Fecha Original: 17 de abril de 2012
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