miércoles, 22 de julio de 2009

Dos nuevos métodos para detectar la materia oscura.


Encontrar la materia oscura es tremendamente complicado porque la materia oscura, por definición, no puede verse con los instrumentos al uso porque no emite radiación alguna. Dos grupos de investigación, sin embargo, informan de que sus métodos podrían funcionar.

Una de las razones para creer que la materia oscura existe es que las galaxias rotan a tales velocidades que se desharían sin ella. El hecho de que las galaxias continúen existiendo sugiere que la atracción gravitacional de algo invisible las mantiene unidas, en otras palabras, la materia oscura.

Los anuncios de que se había localizado la materia oscura se han basado hasta ahora en las pruebas recopiladas observando las colisiones entre cúmulos de galaxias. Algunas de dichas colisiones parece que habrían separado la materia oscura de la visible. Hace tres meses, sin embargo, un equipo de físicos informó de que había pruebas a nivel subatómico. Especulaban que una abundancia de positrones (la antipartícula de los electrones) de alta energía procedentes del espacio tenía su origen en la materia oscura [1].

Una posible explicación para estos positrones es la aniquilación mutua de las formas materia y antimateria de un tipo de materia oscura llamada “partícula masiva que interactúa débilmente”, conocida habitualmente por sus siglas en inglés (WIMP). Los cálculos indicarían que cuando se encuentran una WIMP con una antiWIMP uno de los productos sería, efectivamente, un montón de positrones.

Ahora un equipo dirigido por Michael Kuhlen del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton (EE.UU.), proporciona una explicación que refuerza esta idea. Durante los últimos años Kuhlen y sus colegas han estado trabajando en un modelo de ordenador del halo de materia oscura en el que se supone que está inmersa la Vía Láctea [2]. Su simulación comienza 50 millones de años después del Big Bang, cuando se formaron las primeras galaxias, y calcula las interacciones de mil millones de WIMPs en los siguientes 13.700 millones de años [la imagen muestra la distribución de materia oscura de esta simulación; la densidad de materia oscura sigue un código de color, rojo máxima, azul, mínima].

Los investigadores incluyeron en su modelo un efecto no considerado hasta ahora propuesto por Arnold Sommerfeld [*] en los años 30. El efecto Sommerfeld, un proceso mecanocuántico que hace que las partículas tengan más probabilidad de interactuar unas con otras en algunas circunstancias, se ignora habitualmente en física de partículas porque solamente aplica a un número limitado de condiciones. Sin embargo, entre ellas está el que la partícula sea masiva y se mueva lentamente. Como éste es el caso de las WIMPs, Kuhlen y su equipo lo incluyó en su modelo. Después de hacer que el programa corriera en un superordenador, encontraron que la materia oscura debería aniquilarse mucho más fácilmente de lo que se pensaba. Informan de su hallazgo en Science [3].

Si están en lo cierto, su modelo explicaría la abundancia observada de positrones de alta energía. Además, el modelo proporciona otra variable a observar también proveniente de la aniquilación de la materia oscura: rayos gamma procedentes del halo de la Vía Láctea. Es relativamente sencillo detectarlos usando telescopios como el Fermi (antes GLAST).

Por otra parte Pierre Colin del Instituto Max Planck de Física (Alemania) y sus colegas calculan que la sombra de la Luna podría ayudarles a discernir si la abundancia de positrones viene realmente de la aniquilación de materia oscura, usando telescopios que observan la radiación de Cherenkov (destellos de luz en el cielo) que se crea cuando los rayos cósmicos, en la forma de positrones y electrones de alta energía, colisionan con la parte alta de la atmósfera.

Colin describió el mecanismo de su método el pasado 9 de julio durante la Conferencia Internacional de Rayos Cósmicos que tuvo lugar en Lodz (Polonia). La Luna bloquea los electrones y positrones con tanta eficacia como con la que bloquea la luz. Esto crea sombras, zonas sin electrones ni positrones. Pero, dado que estas partículas están cargadas eléctricamente, también interactúan con el campo magnético de la Tierra. Y como sus cargas son opuestas, la interacción desvía sus trayectorias en sentidos opuestos.

El resultado es que la sombra de electrones y la de positrones están separadas. Normalmente, es imposible distinguir si la radiación de Cherenkov ha sido generada por en electrón o un positrón. Sin embargo, cuando la Luna está entre el telescopio y la fuente de rayos cósmicos, sería posible distinguirlo fijándose en los bordes de las sombras. Esto permitiría a los físicos ver si el número de positrones de alta energía se ajusta con lo previsto por la teoría y, muy apropiadamente, usar las sombras para arrojar luz sobre la existencia de la materia oscura.

Referencias:

[1]

Adriani, O., et al (2009). An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5–100 GeV Nature, 458 (7238), 607-609 DOI: 10.1038/nature07942

[2]


[3]

Kuhlen, M., Madau, P., & Silk, J. (2009). Exploring Dark Matter with Milky Way Substructure Science DOI: 10.1126/science.1174881

[*] Arnold Sommerfeld fue probablemente uno de los mejores profesores de física de la historia. Era reconocido a nivel mundial por su capacidad para detectar y desarrollar el talento. Entre sus alumnos de doctorado estuvieron Heisenberg, Pauli, Debye y Bethe, todos premios Nobel. Entre los de postdoctorado también consiguieron el Nobel Pauling y Rabi. Sin embargo, la lista de sus alumnos que se hicieron famosos por sus contribuciones a la ciencia es enorme. Se puede consultar parcialmente en la wikipedia en inglés, aquí. Sommerfeld fue propuesto 81 veces al premio Nobel, incomprensiblemente, nunca lo ganó.