sábado, 6 de abril de 2013

Hardware en la Estación Espacial Internacional no excluye la materia oscura dentro o fuera.

Espectrómetro Magnético Alfa (AMS-02), un detector de partículas, montado en la Estación Espacial Internacional.
Créditos: NASA

La búsqueda de la materia oscura ha tenido un año difícil. Aunque una variedad de observaciones cosmológicas y astronómicas han mostrado que casi el 80 por ciento de toda la materia no interactúa con ningún tipo de luz, los físicos todavía no han detectado de forma inequívoca una sola partícula de materia oscura.

En algunos modelos, las partículas de materia oscura pueden colisionar y aniquilarse, al igual que la materia ordinaria y la antimateria lo hacen. Si estos modelos son correctos, entonces las regiones donde la materia oscura es particularmente densa, por ejemplo el centro de la Vía Láctea, podrían observarse colisiones que producen un exceso de partículas de alta energía que podríamos detectar desde la Tierra.

El Espectrómetro Magnético Alfa (AMS-02) un detector de partículas en la Estación Espacial Internacional, diseñado para observar una variedad de partículas de diversas fuentes, entre ellas colisiones de materia oscura. Recientemente, el equipo de investigación de AMS-02 anunció los resultados de sus primeros 18 meses de recopilación de datos. Estos resultados son frustrantes y ambiguo: mientras que el AMS-02 encontró un exceso de cierto tipo de partículas, este exceso no llevan el sello de una firma predijo la materia oscura. Por lo tanto, algo interesante que está sucediendo en los datos del AMS-02, pero las posibilidades de que la materia oscura es la causa parece un poco baja.

AMS-02 es un detector de partículas de usos múltiples para altas energías montado en la Estación Espacial Internacional. Se compone de capas de detectores más pequeños, diseñados para medir la energía y la trayectoria de partículas de rayos cósmicos de alta energía como fotones, electrones y positrones (socios de los electrones de antimateria). AMS-02 también contiene un banco de imanes de alta calidad, que dirigen la trayectoria de las partículas cargadas eléctricamente, lo que ayuda a separar las contribuciones de los diferentes tipos de partículas. Con estos detectores, similares en concepto a los utilizados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), los investigadores pueden distinguir entre positrones y protones (que tienen carga positiva igual pero distinta masa), electrones (que tienen carga negativa), y otras partículas.

En algunos modelos, dos partículas de materia oscura pueden chocar, aniquilarse y producir (entre otras cosas) un positrón. Estos positrones tiene una cantidad específica de energía: la energía máxima se establece por la masa de las partículas de materia oscura originales. Representando gráficamente el número de positrones como una función de su energía conocida como el espectro de potencia, podría potencialmente revelar la presencia de aniquilación de materia oscura y la masa de la partícula DM siendo destruida. Eso es porque el espectro de potencia se reduciría considerablemente por encima de la máxima energía disponible.

Por lo tanto, si la materia oscura esta por ahí, es de esperar un exceso de positrones en comparación con lo se ha predicho existe en fuentes cósmicas. Hasta el momento ha habido algunos indicios de exceso en las observaciones del Observatorio Fermi de Rayos Gamma y el experimentos PAMELA (Carga de Exploración de Antimateria/Materia y Astrofísica de Núcleos Ligeros).

Espectro de potencia de positrones, mide el exceso de positrones como una función de su energía. Los puntos rojos son los nuevos datos del AMS-02, mientras que otros puntos representan observaciones anteriores. Nótese la ausencia de una fuerte caída en los positrones, lo que indicaría la presencia de aniquilación de materia oscura. Créditos: AMS

En conslución AMS-02 hace ver un exceso, aunque es un poco más bajo que los otros experimentos reportados. Pero el espectro de potencia de positrones medida por AMS-02 no muestra un punto de corte fuerte. En cambio, el número de exceso de positrones se eleva con energía cada vez mayor, pero con una pendiente cada vez más suave, haciendo alusión a una nivelación fija a altas energías. Que no descarta la posibilidad de una caída más allá del borde de los datos actuales, pero no es prometedor aún.

A diferencia de los instrumentos en un satélite dedicado, AMS-02 no puede apuntar en direcciones arbitrarias, gracias a que esta adjunta a la Estación Espacial. Sin embargo, a lo largo de 18 meses de observación, el instrumento ha obtenido datos de todas las partes del cielo. Esto permitió a los investigadores construir información acerca de la dirección de donde provienen los positrones. Ellos encontraron que los positrones se originan de todas las partes del cielo por igual, con un 95 por ciento de probabilidad es decir, su flujo es isotrópico. Esto último aporta menos información optimista: positrones están cargadas eléctricamente, por lo que los campos magnéticos de la Vía Láctea podrían dirigirlos, pero nos dice poco acerca de dónde se encuentra su fuente. También vale la pena señalar que la distribución de la materia oscura en la galaxia, especialmente cerca del centro, es algo incierta.

Por otro lado, si los positrones provienen de púlsares, u otro probable candidato, su flujo sería probablemente más sesgado. Los datos del AMS-02 no pueden descartar esa posibilidad, sin embargo, significa que una fuente más común de positrones podría ser responsable de estos niveles elevados.

Con la ausencia de un corte de energía, los resultados de AMS-02 son más ambiguos que nada. Es bastante obvio que el AMS-02 no ha visto señales evidentes de aniquilación de materia oscura, pero tampoco ha observado fenómenos que descarten tal evento como explicación para las detecciones elevadas de positrones. La ausencia de un punto de corte nos dice poco: la materia oscura no puede aniquilarse de acuerdo al modelo, es decir, el experimento no encontrará cualquier cosa, no importa el tiempo que observe.

Lo que es en sí un problema: la medición del espectro de positrones es una empresa que vale la pena en sí mismo, y que no muestre aniquilación DM en determinados rangos de energía sigue ayudando a refinar nuestros modelos. El detector continuará tomando datos durante varios años más, empujando a energías más altas que un corte revelador de aniquilación DM puedan esconder.

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