La no aparición de la materia oscura se enfrenta a la supersimetría

Artículo publicado por Eugenie Samuel Reich el 14 de abril de 2011 en Nature News.

El experimento XENON100 ha colocado los límites más estrictos hasta el momento sobre las propiedades de la materia oscura.

Tras meses de batallar contra la contaminación radiactiva que amenazaba con inundar su detector, la colaboración XENON100 ha logrado colocar los límites más estrictos sobre la detección de materia oscura. La no aparición, anunciada en un seminario en el Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia, coloca restricciones sobre la supersimetría, la alternativa principal al Modelo Estándar de la física de partículas.

La materia oscura se cree que forma el 83% de la materia del universo, y un número de experimentos compiten por ser los primeros en detectar sus escasas interacciones con la materia común. XENON100 busca las partículas de materia oscura conocidas como partículas masivas de interacción débil (WIMPs) cuando pasan a través de la parte central de los 161 kilogramos de xenón líquido bajo 1,4 kilómetros de roca en Gran Sasso. Las partículas deberían producir carga eléctrica y señales de luz cuando colisionan con núcleos de xenón.

En un artículo publicado on-line, los investigadores de XENON100 informan de tres eventos detectados durante una ejecución de 100 días del experimento durante el año pasado que podría haberse debido a la materia oscura¹. Sin embargo, dado que se esperaban observar entre 1,2 y 2,4 eventos de fondo – interacciones mayormente causadas por contaminación radiactiva en el xenón – su resultado es estadísticamente negativo y, por tanto, descarta la existencia de muchos de las WIMPs más pesadas y de interacción más fuerte.

“Por supuesto, esperábamos ver pruebas de la materia oscura y no fue así, pero tuvimos una alta sensibilidad”, dice la física de partículas Laura Baudis de la Universidad de Zúrich en Suiza, y líder del grupo en la colaboración XENON100. Baudis señala que la contaminación era mayor de lo esperado, y mayor que en una ejecución experimental anterior², debido a una filtración en el experimento. Sin embargo, dice, aún es mucho menor que en muchos otros experimentos, y lo bastante baja para que el grupo confíe en sus hallazgos.

Los nuevos hallazgos restringen significativamente la supersimetría, una teoría que predice la existencia de una gran cantidad de partículas que los físicos están deseando detectar a través de las colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, el laboratorio de física de partículas europeo en Ginebra, Suiza. La más ligera de las partículas predichas por la supersimetría puede también ser una WIMP.

En su artículo, los investigadores de XENON100 informan de que sus resultados son el primer corte en la región de WIMPs más pesados que son también accesibles por el LHC. Baudis dice que esto también contradice los informes de WIMPs más ligeras que en el experimento de materia oscura DAMA, en Gran Sasso, y el experimento CoGeNT en la mina Soudan en Minnesota afirmaron detectar.

Límites de las WIMPs

Dan Hooper, físico teórico en el Fermilab en Batavia, Illinois, dice que está entusiasmado con los límites que ha colocado la colaboración XENON100 sobre las WIMPs más pesadas. Pero se pregunta si el detector es lo bastante sensible sobre las más ligeras como para desafiar los hallazgos de DAMA y CoGeNT. “Soy un poco más escéptico sobre eso”, dice.

Juan Collar, cosmólogo de la Universidad de Chicago en Illinois, que trabaja en CoGeNT, está de acuerdo. Dice que gran parte del problema reside en la calibración del detector de XENON100, que pasará a estudiar en detalle. “Los intentos anteriores de la colaboración XENON para calibrar la respuesta de su detector contenían errores de metodología”, comenta³. Sólo si su análisis confirma la calibración podría estar seguro de que el experimento está en conflicto con los resultados de DAMA y CoGeNT.

El registro anterior descartó las WIMPs que tenían cinco veces más posibilidades de interactuar con la materia común que los nuevos resultados, y se logró en 2010 por XENON100 y CDMS, otro experimento en la mina Soudan que busca WIMPs que impactan en núcleos de átomos de cristales de germanio.

El miembro de CDMS Sunil Golwala del Instituto Tecnológico de California en Pasadena, dice que el último resultado de XENON100 es “impresionante”. Añade que la súbita tasa de progreso – mejorando las restricciones en un factor de cinco en sólo un año – es típica de este tipo de experimento, que es capaz de progresar rápido hasta que su nivel de fondo se acerca al nivel de la señal que se busca. Este punto parece haberse logrado ya, por lo que, dice, mejorar mucho los resultados actuales requeriría la construcción de detectores más grandes, para dar a las WIMPs una masa de detección mayor con la que colisionar y generar una señal. La colaboración XENON100 espera que finalmente se aumente para usar hasta una tonelada de xenón, lo que sería 100 veces más sensible a WIMPs potenciales.

Otro experimento de xenón a gran escala que se espera que entre en funcionamiento a finales de este año, es en detector LUX, que buscará materia oscura usando 350 kilogramos de xenón líquido colocado bajo el Laboratorio Subterráneo Sanford en Homestake, Dakota del Sur. El físico de LUX Rick Gaistkell de la Universidad de Brown en Rhode Island, es optimista sobre los resultados de XENON100. “Desde nuestro punto de vista esto es muy emocionante debido a que estamos viendo un resultado de la nueva generación de detectores de xenón que es una mejora significativa sobre cualquier otra tecnología en competición”, dice, añadiendo que la sensibilidad de XENON100 augura unas buenas perspectivas de que LUX encuentre materia oscura – o la descarte.

Referencias:
1.- XENON100 Collaboration. Borrador en http://lanl.arxiv.org/abs/1104.2549 (2011).
2.- XENON100 Collaboration. Phys. Rev. Lett. 105, 131302 (2010).
3.- Collar, J. I. Borrador en http://arxiv.org/abs/1010.5187 (2010).