Un detector de partículas encuentra indicios de la tan buscada materia oscura

El espectrómetro Magnético Alfa detecta positrones en el flujo de rayos cósmicos que hacen alusión a origen de la materia oscura.

Los investigadores del Researchers at MIT’s Laboratory for Nuclear Science han publicado nuevas medidas que prometen arrojar luz sobre el origen de la materia oscura.

El grupo del MIT lidera una colaboración internacional de científicos que analizó más de dos años de datos tomados por el Espectrómetro Magnético Alfa (AMS) (un gran detector de partículas montado en el exterior de la Estación Espacial Internacional) que captura rayos cósmicos entrantes desde toda la galaxia.

Entre los 41 mil millones de eventos de rayos cósmicos (instancias de partículas cósmicas entrantes en el detector) los investigadores identificaron 10 millones de electrones y positrones. Aunque lo extraño de esto es el exceso de positrones detectados, pues ellos pueden existir en un número relativamente pequeño dentro del flujo de rayos cósmicos.

Un exceso de estas partículas ha sido observado también por experimentos anteriores. En 2013, el Espectrómetro Magnético Alfa (AMS) por primera vez pudo medir con precisión el origen de este exceso de positrones.

El equipo informa que la fracción de positrones observados (la relación entre el número de positrones detectados al número combinado de positrones y electrones) se encuentra dentro de un rango más amplio de energías de lo que se informó anteriormente. A partir de los datos, los investigadores observaron que las energías de estos positrones aumentan rápidamente a bajas energías de los rayos cósmicos, después de lo cual se ralentizan y finalmente se estabilizan nuevamente a energías mucho más altas.

El equipo informa que esta es la primera observación experimental de la fracción de positrones a energías máximas de 243-307 gigaelectronvoltios (GeV) después de medio siglo de experimentos de rayos cósmicos.

"Los nuevos resultados del MGA muestran claramente que una nueva fuente de positrones está activa en la galaxia", dice Paolo Zuccon, profesor asistente de física en el MIT. "No sabemos todavía si estos positrones provienen de colisiones de materia oscura, o de fuentes astrofísicas como púlsares. Pero las mediciones están en marcha desde el AMS el cual puede discriminar entre las dos hipótesis".

Zuccon añade que las nuevas medidas son compatibles con una partícula de materia oscura con una masa del orden de 1 teraelectronvoltio (TeV), lo cual es cerca de mil veces la masa de un protón.

Zuccon y sus colegas detallan sus resultados en dos artículos publicados en la revista Physical Review Letters y en una tercera, de próxima publicación.

Casi el 85 por ciento del universo está hecho de materia oscura, la cual de alguna manera no emite ni refleja luz, y es, por tanto, invisible para los telescopios modernos. Durante décadas, los astrónomos han observado sólo los efectos de la materia oscura, en forma de fuerzas gravitacionales misteriosas que parecen mantener unidos racimos de galaxias que de otro modo se dispersarían en el espacio. Estas observaciones llevaron finalmente a la teórica materia oscura, la cual interaccionaría con la materia ordinaria sólo por medio de la gravedad.

Corrientes del Universo

El experimento AMS a bordo de la Estación Espacial Internacional tiene como objetivo identificar los orígenes de la materia oscura. El detector tiene un flujo constante de rayos cósmicos, que Zuccon describe como "corrientes del universo que traen consigo todo lo que se puede captar alrededor de la galaxia."

Presumiblemente, esta corriente cósmica incluye sobras de las violentas colisiones entre partículas de materia oscura.

De acuerdo con las predicciones teóricas, cuando dos partículas de materia oscura colisionan, se aniquilan, liberando una cierta cantidad de energía que depende de la masa de las partículas originales. Cuando las partículas se aniquilan, producen partículas ordinarias que con el tiempo se descomponen en partículas estables, incluyendo electrones, protones, antiprotones y positrones.

Como la materia visible u ordinaria en el universo está formada por protones (bariones) y electrones (leptones), los investigadores razonaron que la contribución de estas mismas partículas a partir de colisiones de materia oscura sería insignificante o indetectable. Sin embargo, los positrones (antileptones) y antiprotones (antibariones) son mucho más raros en el universo; cualquier detección de estas partículas por encima de la muy pequeña de fondo esperada sería probablemente la proveniente de una nueva fuente. Las características de este exceso ayudará a los científicos a determinar si los positrones proceden de fuentes astrofísicas como púlsares, o de la materia oscura.

Después de la recogida de datos de forma continua desde 2011, el equipo AMS analizó 41 mil millones de partículas entrantes e identificó 10 millones de positrones y electrones con energías que van de 0,5 a 500 GeV (un rango de energía más amplio que los medidos con anterioridad).

Los investigadores estudiaron la fracción de positrones frente a la energía, y encontraron un exceso de positrones a partir de las energías más bajas (8 GeV), lo que sugiere una fuente para las partículas que no son los propios rayos cósmicos. La fracción de positrones luego se desaceleró y alcanzó un máximo de 275 GeV, lo que indica que los datos pueden ser compatibles con una fuente de materia oscura de positrones.

"La materia oscura es allí", dice Zuccon. "Simplemente no sabemos lo que es. AMS tiene la posibilidad de arrojar luz sobre sus características. Vemos alguna pista ahora, y es nuestra oportunidad de decir si esa pista es cierta o no".

Si resulta que los resultados del MGA se deben a la materia oscura, el experimento podría establecer que la materia oscura es un nuevo tipo de partícula, dice Barry Barish, profesor emérito de la física en el Instituto de Tecnología de California.

"Los nuevos fenómenos podrían ser evidencia de la materia oscura tan buscada en el universo, o podría deberse a algún otro fenómeno nuevo”, dice Barish, que no participó en los experimentos.

Pf: Mariano Miguel Lanzi
Fuente: MIT