Materia oscura: tenemos un problema

Bueno, un posible problema si se confirman los datos del experimento ATIC (Advanced Thin Ionization Calorimeter). ATIC es un detector de rayos cósmicos de la NASA instalado en un globo sonda que realizó una campaña de observación en el verano antártico 2007-08. El caso es que ATIC ha detectado un exceso de electrones energéticos en el fondo de rayos cósmicos. En concreto, un exceso de electrones con energías entre 300 y 800 GeV, con un posible pico en 600 GeV. Este resultado no parece muy espectacular, pero está en la línea de lo observado por el experimento espacial PAMELA, que ha detectado un exceso parecido de electrones y positrones cósmicos con energías superiores a 10 GeV, y otros expermientos de altas energías (como el PPB-BETS). Los resultados de ATIC complementan los de PAMELA, pues ATIC puede observar partículas con altas energías (hasta 1 TeV aprox.), mientras que PAMELA se concentra en las de "baja" energía (10-100 GeV).

Una posible explicación a este exceso de partículas energéticas, y de ahí el interés de ambas noticias, es que podría ser una prueba directa de la existencia de materia oscura. En la mayoría de dichos modelos las partículas de materia oscura son a su vez sus propias antipartículas, lo que implica que cuando se encuentran dos partículas de materia oscura, ambas se aniquilan mutuamente generando partículas de alta energía, algunas de las cuales pueden llegar a la Tierra en forma de rayos cósmicos. Naturalmente, existen otras explicaciones más mundanas de este fenómeno. La más sencilla es invocar la presencia de un púlsar (estrella de neutrones) cercano que emita estas partículas. Desgraciadamente, tanto PAMELA como ATIC carecen de la resolución espacial necesaria para discriminar entre ambas causas: si el origen del exceso proviene del centro galáctico, se favorecería la hipótesis de la materia oscura. Por contra, si la fuente está situada en otra zona, sería más probable una explicación local, como es el caso de un púlsar.

Pero lo que resulta realmente desconcertante es que, si se trata de materia oscura, los resultados de ATIC y PAMELA son difícilmente reconciliables con la materia oscura "tradicional" propuesta hasta el momento. Este modelo tradicional favorece al neutralino (u otras partículas supersimétricas) como principal partícula candidata a materia oscura, pero el problema es que el neutralino debería desintegrarse también en protones y antiprotones al colisionar con otro neutralino, no solamente en electrones y positrones. De hecho, PAMELA no ha detectado ningún exceso anómalo de protones o antiprotones en los rayos cósmicos. Además, el experimento ATIC parece indicar que la masa de esta partícula estaría en el rango de los 800 GeV, mayor que la propuesta tradicionalmente para el neutralino (50-100 GeV). Por tanto, si estamos ante materia oscura, deberá ser con bastante probabilidad otro tipo de partícula (partículas de Kaluza-Klein, un nuevo bosón de Higgs, etc., etc.), lo que constituiría todo un desafío a la física actual.

De todas formas, no adelantemos acontecimientos. Un vistazo a los resultados de ATIC (gráfica inferior) nos revela unas enormes barras de error propias de las dificultades experimentales de este tipo de instrumentos, por no hablar de la ya comentada falta de resolución espacial. Habrá que esperar a más resultados y nuevos instrumentos. Especialmente importantes son las observaciones de rayos gamma en el espacio, en concreto, las realizadas por el satélite Fermi (antes conocido como GLAST), que pueden aportar datos directos sobre los fenómenos de aniquilación de materia oscura, ya que a diferencia de las partículas cargadas, los rayos gamma no sufren desviaciones debido a los campos magnéticos, permitiendo medir el espectro del suceso y su posición espacial con mayor precisión.

A la espera de nuevos datos, vamos a aplicar pues la Navaja de Occam y decantarnos por la hipótesis del púlsar.


Espectro energético de electrones: resultados de ATIC (puntos rojos y azules) comparados con varios modelos. La línea discontinua correspondería al fondo teórico de rayos cósmicos. La línea roja corresponde al espectro de emisión de un púlsar. La azul se corresponde con la desintegración de materia oscura que se desintegra en bosones W^± y la negra es la asociada con un modelo de partículas de materia oscura Kaluza-Klein. Los modelos de materia oscura predicen un pico alrededor de la masa de la partícula oscura, mientras que el púlsar generaría un espectro más suave. Nótese las enormes barras de error.


Resultados de PAMELA (puntos rojos), comparado con otros experimentos. Se observa el aumento de partículas con energías mayores de 10 GeV.


Resultados de PAMELA comparados con el modelo teórico de rayos cósmicos (línea negra), que decae con la energía. Un púlsar podría explicar este espectro.

Más info:

• Excess Particles From Space May Hint at Dark Matter, Science.
  
• Observation of an anomalous positron abundance in the cosmic radiation, PAMELA.
• Distinguishing Between Dark Matter and Pulsar Origins of the ATIC Electron Spectrum With Atmospheric Cherenkov Telescopes.

Actualización: me acabo de dar cuenta que Francis The (E) Mule ha dedicado una entrada sobre el tema muy recomendable. A ella les remito.

Actualización 2: artículo en Nature sobre el exceso de electrones energéticos de ATIC: An excess of cosmic ray electrons at energies of 300–800 GeV. Y otro artículo muy interesante en arxiv.org: Status of indirect searches in the PAMELA and Fermi era.