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Subterránea búsqueda de materia oscura

Posted by keithcoors_00 en 27 julio, 2010

Científicos intentan encontrar en la profundidad de la Tierra de qué está hecha la elusiva materia oscura del Universo.


Desde BBC Mundo



Un experimento subterráneo para tratar de encontrar de qué está hecha la elusiva materia oscura del Universo será reubicado a Canadá.


La llamada Búsqueda Criogénica de Materia Oscura II (CDMSII en sus siglas en inglés) intenta detectar eventos bajo la superficie de la Tierra que podrían contener las partículas de la materia oscura, la elusiva materia de la que está hecha la mayor parte del Universo.


El CDMSII está actualmente ubicado en el Laboratorio Subterráneo Soudan, en una mina a 800 metros bajo la superficie en Minesota, Estados Unidos. Pero como los rayos cósmicos que chocan contra nuestro planeta pueden ocultar completamente esos eventos, los investigadores están buscando un lugar mucho más profundo.


Tal como anunciaron los científicos en la Conferencia Internacional de Física de Alta Energía que se celebra en París, el CDMSII será reubicado a una instalación a dos kilómetros bajo la superficie de la tierra en Ontario, Canadá.


A esta profundidad, dicen los físicos del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi (Fermilab) del Departamento de Energía de Estados Unidos, se podrá reducir mucho más la interferencia de rayos cósmicos para poder identificar las partículas de la materia oscura. Las observaciones astronómicas indican que nuestro universo está formado en su mayoría de materia oscura. Lo que es visible en el cosmos suma sólo 17%, el resto (83%) es “oscuro”, es decir, es materia que no refleja o emite luz detectable.


Aunque no puede verse, los científicos han podido inferir su existencia por la fuerza gravitacional que ejerce en la materia visible, es decir las galaxias y estrellas.



Interacción débil

Hasta ahora, sin embargo, nadie tiene idea de qué está hecha la materia oscura, pero una teoría ampliamente aceptada es que podría estar formada de un tipo de partículas llamadas WIMP (las siglas en inglés de Partículas Masivas de Interacción Débil).


Quienes apoyan esta teoría creen que un gran número de WIMPs pasan a través de la Tierra cada segundo. Pero debido a que solo interactúan de forma muy débil con la materia normal es muy difícil detectarlas.


Desde hace más de una década el experimento CDMSII ha estado midiendo grandes números de interacciones de partículas en el fondo de la Tierra con la esperanza de que sus detectores puedan registrar una interacción provocada por una WIMP.


El CDMSII opera a temperaturas extremadamente bajas y utiliza 30 detectores para registrar la energía liberada cuando las partículas chocan contra átomos en los cristales de germanio y silicio dentro de éstos.


Tal como explica el doctor Marek Kos, de la Universidad de Syracuse, Estados Unidos, y miembro del proyecto CDMSII “estamos planeando llevar el experimento a un lugar mucho más profundo, posiblemente al SNOLAB en Sudbury, Ontario”.


“Está ubicado a dos kilómetros bajo la superficie, el equivalente a 6.000 metros bajo el agua que es la cifra que se utiliza para comparar los experimentos”, dice el científico.


A esta profundidad, agrega, se podrían reducir las señales de fondo de las partículas de rayos cósmicos. En febrero pasado, el equipo del doctor Kos anunció que habían logrado detectar dos señales que podrían provenir de partículas de materia oscura.



Más y mejor

Sin embargo, en su investigación publicada en la revista Science, también informaron que las probabilidades estadísticas de que estas partículas fueran WIMP eran bajas. Tal como explicó a la BBC el doctor Kos “hemos sido muy críticos con estos eventos cuando los hemos detectado. Porque descubrir una WIMP es algo muy importante y debemos estar seguros de que realmente se trata de ellas”.


Los científicos están ahora instalando equipos mejorados de detección en la mina de Soudan. “Estamos construyendo detectores más grandes y algunos ya están ubicados y operando bajo la superficie” afirma el científico.


Los investigadores esperan que los nuevos detectores estén totalmente instalados en los próximos meses y si logran identificar con éxito nuevos eventos trasladarán el experimento a las instalaciones más profundas en Canadá.


El CDMSII, sin embargo, no es el único que está en busca de señales de las elusivas partículas.


Varios otros experimentos, como el Gran Detector Subterráneo Xenon (LUX) en la mina de Homestake, en Dakota del Sur, y el Telescopio Espacial Fermi de la NASA están tratando de encontrar evidencia de la materia oscura.
Imagen: Representación de la distribución de la materia oscura
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El exceso de positrones está relacionado con el púlsar Geminga

Posted by keithcoors_00 en 13 agosto, 2009

Y, al principio, todo fue curiosidad

Isaac Asimov


Desde Physics World
Por Bob Swarup

Traducción: KC


¿Acaso el recién detectado exceso de electrones y positrones cósmicos es la primera evidencia directa de la existencia de partículas de materia oscura? Esa ha sido la esperanza de muchos físicos, mientras que otros han sugerido un origen más mundano en las cercanías de un púlsar. Ahora los investigadores en los EE.UU. afirman que los excesos se pueden vincular a rayos gamma de alta energía emitida por el púlsar Geminga.

La materia oscura fría es la explicación más aceptada de por qué el universo parece tener al menos un 80% más masa gravitatoria que la directamente visible. Se espera que las partículas de materia oscura choquen entre sí y se aniquilen – produciendo partículas de alta energía, tales como electrones y positrones. Si estas partículas se puede observar, representarían la forma más directa de evidencia de la existencia de la materia oscura.

Los excesos de electrones y positrones de alta energía desde el espacio han sido revelados por varios experimentos. En particular, en 2008, investigadores que trabajan con el satélite PAMELA encontraron un exceso de positrones en el intervalo 10-100 GeV en el espectro de rayos cósmicos. Los resultados no podían ser explicados por los modelos estándar del origen de rayos cósmicos y de propagación por la Vía Láctea y en su lugar se propuso una “fuente” cercana de positrones de alta energía. Sin embargo, no ha habido pruebas concluyentes de la vinculación de positrones con la materia oscura – la tasa de aniquilación es mucho mayor de lo esperado a partir de las teorías estándar.

Positrones de Geminga

Ahora, Hasan Yuksel y Todor Stanev de la Universidad de Delaware y Matthew Kistler de la Universidad Estatal de Ohio, afirman que el origen de estos positrones es Geminga – una estrella de neutrones cercana con una rotación rápida. Los resultados también representan la primera vez que los astrónomos pueden vincular los rayos cósmicos a una fuente específica.

En el centro de su teoría hay una serie de observaciones aparentemente no vinculadas por parte del observatorio

Milagro de rayos gamma en Nueva México, que ha visto un halo de rayos gamma de alta energía desde fuentes alrededor de Geminga. Situado a unos 800 años luz de distancia de la Tierra y con una edad de unos 300,000 años, Geminga es la fuente conocida de rayos gamma más cercana a la Tierra, con excepción de los cuerpos del sistema solar.

“Queríamos entender el origen de estos rayos gamma, que no se espera uno de esos viejos púlsares”, explica Yuksel. “Encontramos que esto implica que los pares de electrones y positrones se producen cerca del púlsar y son acelerados hasta muy altas energías.”

Campos magnéticos entrelazados

Es importante destacar que el alcance de la emisión de rayos gamma también implica que un “viento” de estas partículas se escapa del púlsar, lo que confirma la presencia de un poderoso acelerador de partículas cerca de la Tierra y lo que sugiere que los rayos cósmicos producidos en el pasado más activo de Geminga son – después de un tortuoso viaje a través de la Vía Láctea entre la maraña de campos magnéticos – probablemente la fuente del exceso de positrones observado por PAMELA.

Si es así, los resultados también son susceptibles de ser la primera detección “directa” de de rayos cósmicos. “Cuando se detectan los rayos cósmicos en la atmósfera o en el espacio, no podemos deducir fácilmente su origen pues sus trayectorias son fácilmente dobladas en la Vía Láctea por los campos magnéticos y cualquier información pertinente se suele perderse”, dice Kistler. “Sin embargo, si el exceso de positrones observados pueden asociarse con un objeto conocido cerca de la Tierra, entonces, por primera vez se establecerá una conexión entre una población de rayos cósmicos y la fuente que les originó”.

Otros astrónomos han acogido con satisfacción el resultado. “Es a primera vista no tan terriblemente sorprendente que Geminga pudiera ser la fuente del exceso de positrones detectado por PAMELA ya que es el el púlsar energético más cercano”, dice Stefan Funk de la Universidad de Stanford en California y un miembro asociado del observatorio HESS de rayos gamma. “Sin embargo, conectando esto con las recientes observaciones de Milagro, se puede utilizar, en princpio, para calcular el número de partículas que nos llegan desde Geminga si estas partículas son electrones.”

No renunciar a la materia oscura

Douglas Finkbeiner de la Universidad de Harvard en Massachusetts es más cauteloso. “Me alegra que las personas estén desarrollando la explicación de púlsares y los púlsares sin duda contribuyen a esta señal en algún nivel”, dice. “Pero actualmente no se conoce lo suficiente acerca de los púlsares como para excluir la posibilidad de que otra cosa domine el fenómeno observado.”

Yuksel y sus colegas aceptan que la materia oscura no se puede descartar por el momento. Sin embargo, piensan que nuevas observaciones de otros experimentos más sensibles examinarán a Geminga con más detalle, y permitirán a los científicos medir mejor la cantidad total de energía contenida en los rayos cósmicos que fluyen desde el púlsar.

El trabajo se reportó en el Physical Review Letters

Imagen: PAMELA

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Nuevos resultados pueden confirmar la materia oscura

Posted by keithcoors_00 en 30 julio, 2009

Lo oscuro acabamos viéndolo; lo completamente claro lleva más tiempo.

Edward Roscoe Murrow


Desde Nature
Por Zeeya Merali
Traducción: KC


La turbia caza de materia oscura acaba de ponerse un poco más brillante. Nuevos resultados de rayos gamma del telescopio Fermi los encajan con anteriores sugerencias tentadoras de una detección de la misteriosa sustancia.

El año pasado, una serie de experimentos independientes causó revuelo, ya que parecía haberse detectado señales de materia oscura, que se piensa representa el 85% de la materia del universo .

“Ha habido un enorme entusiasmo por señales de rayos cósmicos que tienen a la materia oscura como una posible explicación”, dice Neal Weiner en la Universidad de Nueva York. En concreto, el satélite PAMELA (Carga útil de Exploración Astrofísica de Antimateria y Núcleos ligeros) y el telescopio Fermi han detectado un excedente de electrones de alta energía y antielectrons, también llamados positrones, zumbando a través del espacio. Los resultados fueron interesantes porque tales excesos pueden ser producidos cuando partículas de materia oscura se aniquilan o decaen (ver “Se profundiza la intriga sobre la materia oscura“).

Sin embargo, la partículas de alta energía también podría tener orígenes mucho más mundanos, por ejemplo, podrían haber sido emitidos por los púlsares. “Una pregunta importante es: ¿cómo vamos a determinar si es materia oscura o alguna fuente astrofísica?” Dice Weiner.

Largo camino

Una manera de dilucidarlo es mirar los fotones de rayos gamma de alta energía que acompañan la detección. Todos los modelos de materia oscura que podría explicar los datos de PAMELA y Fermi predicen que los electrones y positrones de alta energía se unirán produciendo fotones comunes de luz de estrellas y luego lanzándolos hacia energías de rayos gamma, dice Weiner. El telescopio Fermi ha estado buscando esta señal de rayos gamma, y la semana pasada DrellPersis de la SLAC National Accelerator Laboratory en Menlo Park, California, presentó los resultados en la conferencia sobre Astrofísica de Partículas TeV, celebrada en SLAC, mostrando que había un pico de rayos ua gamma alrededor de 100 GeV – justo donde los modelos de materia oscura predicen.

Drell presentó datos de señales de rayos gamma en el centro galáctico y más allá de una región del cielo conocida como el centro de la galaxia. El equipo de Weiner ha comparado la señal de rayos gamma de la galaxia interior con las predicciones hechas por los modelos de materia oscura, y encontraron una buena semejanza (http://arxiv.org/abs/0907.3953).

Weiner y sus colegas dicen que los resultados son “ciertamente apasionantes”. Sin embargo, Weiner subraya que los resultados siguen siendo perfectamente compatibles con la posibilidad de que no haya ninguna señal de materia oscura.

También hace hincapié en que el grupo de Fermi presentaron datos preliminares que se seguirán perfeccionando. Él tiene la esperanza de que en el futuro los datos de Fermi deberían aclarar cualquier confusión. “Como Fermi reduce su campo de visión, su sensibilidad aumentará, y hay perspectivas de algunos resultados muy importantes y emocionantes”, dice.

Piergiorgio Picozza, un miembro del equipo PAMELA con sede en la Universidad Tor Vergata de Roma en Italia, estuvo de acuerdo en que es demasiado pronto para sacar conclusiones. Señala que ha habido una serie de documentos que debaten los resultados de Fermi y PAMELA, muchos de los cuales dan conclusiones contradictorias, y dice, “Creo que el camino hacia la verdad es todavía muy largo”.

Corregido: Persis Drell no es un miembro del equipo de Fermi, como se dijo en una versión anterior de esta historia.

Referencias
Cholis, I. et al., Preimpresión en http://arxiv.org/abs/0907.3953 (2009).

Imagen: NASA/DOE/International LAT Team.

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La materia oscura podría deducirse naturalmente de la gravedad cuántica

Posted by keithcoors_00 en 26 abril, 2009

La oscuridad nos envuelve a todos, pero mientras el sabio tropieza en alguna pared, el ignorante permanece tranquilo en el centro de la estancia.

Anatole France


Desde Physics World
Por Jon Cartwright

Traducción: KC


Un físico en los EE.UU. se ha calculado que la materia oscura – la entidad desconocida que incluye la inmensa mayoría de la materia en el universo – puede surgir en una simple generalización de la teoría cuántica de la gravedad.
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Uno de los problemas más duraderos de la física moderna es que las teorías de la gravedad y la mecánica cuántica no se mezclan fácilmente. Por más de 90 años la teoría general de la relatividad de Einstein ha hecho un buen trabajo para describir la gravedad en grandes escalas de longitud, pero se mete en problemas en las distancias muy pequeñas, donde prevalece la mecánica cuántica. El problema se debe en parte al hecho de que la mecánica cuántica predice la existencia de partículas “virtuales” fugaces, que introducidas en las ecuaciones de Einstein causan torpes valores infinitos.

La mayoría de los físicos, por lo tanto, piensan que se necesita una teoría cuántica de la gravedad. Una forma básica de explorar esta idea es mirando a una “teoría del campo eficaz”, que describe la fuerza de gravedad como una serie bien definida. En la Gravedad de Einstein las series tendrían sólo un término: una función lineal de R, la curvatura del espacio-tiempo. Sin embargo, para abordar cuestiones cuánticas otros términos se deben añadir a la serie, como una función de R2. Estos términos de orden superior contienen otros parámetros, y para R2 uno de esos parámetros es m2, donde m es la masa de una nueva partícula o campo escalar.

Mantenerla pesada
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Un posible efecto secundario de la introducción de nuevos términos es que la teoría puede crear efectos gravitacionales que los experimentos ya han demostrado. En consecuencia, los teóricos suelen mantener m pesada de modo que todos los nuevos efectos están ocultos hasta debajo de la llamada longitud de Planck (alrededor de 10-35 m), donde la teoría de la gravedad de Einstein colapsa. Ahora, sin embargo, José Cembranos de la Universidad de Minnesota en los EE.UU., ha encontrado que cuando se hace m mucho más liviana, la partícula puede representar para la materia oscura. La partícula puede ser identificaao como un nuevo gravitón, puede operar en longitudes de alrededor de 0.1 mm o menos.

Nadie sabe aún qué es la materia oscura, a pesar de que las explicaciones para ella son a menudo dadas como hipotéticas partículas o dentro de versiones modificadas de la gravedad. Cembranos dijo que su estudio es importante porque “ayuda a tener una idea general de lo que pueden ser señales u observaciones si la materia oscura está relacionada con la parte cuántica complementaria de la interacción gravitacional”.

“Creo que el modelo de R + R2 es otro ejemplo interesante de la similitud y la diferencia de la gravedad modificada contra la materia oscura real“, dice Zhao HongSheng en la Universidad de St. Andrews en el Reino Unido. “Estoy totalmente de acuerdo que pueda ser moldeada como un campo escalar, que podría condensarse. Tales condensados pueden doblar las órbitas de las estrellas como la materia oscura real, pero no está claro si van a doblar la luz como la materia oscura real”.

No hay necesidad de mencionar la gravedad

Sin embargo, Nemanja Kaloper, físico en la Universidad de California en Davis que estudia las teorías alternativas de la gravedad dice que no está entusiasmado con el estudio de Cembranos. Él considera que el tipo de teoría de campo efectivo adoptada por Cembranos como la gravedad de Einstein normal con un campo escalar extra que explica la materia oscura sólo por estar bien afinada. “Todo esto puede hacerse sin mencionar la gravedad como f(R)”, añade. “Ninguna es necesaria, y, de hecho, su introducción es hacer la historia menos predecible, porque el parámetro que determina la masa escalar no es exclusivamente calculable, pero es muy sensible al complemento ultravioleta de la teoría.”

La investigación se publica en Physical Review Letters

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Un “brinco” de electrones podría confirmar la materia oscura

Posted by keithcoors_00 en 20 noviembre, 2008

El hallazgo en un globo de experimentos se añade a los datos obtenidos por satélite.


Desde NaureNews
Por: Geoff Brumfiel
Traducción: KC

Un experimento en globo a gran altitud sobre la Antártida parece haber sido testigo de una posible firma de la misteriosa “materia oscura”, similar a la que se descubrió a principios de este año por un satélite europeo.

El Calorímetro Avanzado de Ionización Delgada (ATIC por sus siglas en inglés, Advanced Thin Ionization Calorimeter), un experimento de búsqueda de partículas cargadas desde el espacio, ha detectado un excedente de electrones de alta energía procedentes de algún lugar en el cosmos (véase Cartas, página 362, y Noticias y Opiniones, página 329). A pesar de que la interpretación está lejos de ser completamente cierta, los electrones pueden ser producidos por la materia oscura –

partículas anteriormente no detectadas que los físicos piensan representa el 85% de toda la materia en el Universo.

Las conclusiones de la misión ATIC son similares a los datos de la misión del satélite PAMELA (por sus siglas en inglés: Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics), una colaboración entre Italia, Rusia, Alemania y Suecia, que descubrió un exceso de positrones, o anti-electrones, de alta energía en energías más o menos similares (véase Nature 454, 808, 2008). “En varios aspectos las dos mediciones se complementan entre sí”, dice John Wefel, jefe de la colaboración ATIC y físico en la Universidad Estatal de Luisiana en Baton Rouge.

El equipo de Wefel estudió los datos de dos misiones ATIC de varios días de vuelo entre 2000 y 2003, a unos 35 kilómetros por encima del hielo antártico. Con el 99.5% de la atmósfera de la Tierra por debajo, las misiones detectaron electrones que proceden de diversas fuentes galácticas como la explosión de estrellas. Como se predijo por la teoría, el experimento observó un menor número de electrones de altas energías. Pero entre 300 y 600 gigaelectronvolts, el número de electrones aumentó significativamente antes de la caída a los niveles de fondo.

Los resultados de PAMELA, tal como fueron anunciados en el servidor de preimpresión arXiv el mes pasado (O. Adriani et al. http://arxiv.org/abs/0810.4995; 2008) y también remitidos a Nature, muestran el aumento de positrones de hasta 100 gigaelectronvolts. A pesar de que la colaboración no informó nada más allá de este nivel de energía, algunos sospechan que el número de positrones puede seguir aumentando a mayor energía. Y, debido a que los datos de PAMELA y ATIC se midieron de diferentes maneras, los investigadores piensan que probablemente sus hallazgos confirman mutuamente.

El ‘brinco’ que ATIC ve en el número de electrones podría ser el resultado de la aniquilación de partículas pesadas de materia oscura, de acuerdo con Wefel. Cuando esto sucede, dos partículas de materia oscura colisionan y su masa se convierte en dos pares de electrones y positrones rápidos, cuyas energías corresponden a la masa de las partículas originales.

La aniquilación de partículas de materia oscura es, sin duda, la más sexy de las posibilidades.

“Esa es sin duda la más sexy de las posibilidades”, dice Dan Hooper, un físico teórico en el Acelerador del Laboratorio Nacional Fermi en Batavia, Illinois. La naturaleza exacta de la partículas de materia oscura que producen electrones es incierta, pero es una idea que pueden ser partículas ordinarias que pasan parte de sus vidas en una compacta dimensión extra del espacio. Considerando que las partículas parecen relativamente estacionarias para los observadores atrapados en tres dimensiones espaciales, podrían estar avanzando en ultra-alta velocidad en una cuarta dimensión espacial. A altas velocidades, darían lugar a una fuerza gravitatoria que se podría sentir por la materia atrapada en tres dimensiones del espacio-tiempo. “Es una idea muy salvaje”, dice Hooper.

Otras razones más mundanas también podría explicar los datos. El principal candidato es un púlsar cercano, dice Aldo Morselli, un físico de partículas del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear en la Universidad de Roma Tor Vergata (sin albur, nota de KC). Los púlsares, restos con rápidos giros de las explosiones de supernovas, tienen enormes campos magnéticos que pueden acelerar los electrones a altas energías como los observados en los experimentos, aunque el “brinco” ATIC es más difícil de hacer coincidir con un púlsar que con el aumento de PAMELA.

Wefel está de acuerdo en que es demasiado pronto para decir si ATIC y PAMELA han visto la materia oscura. “No se puede hacer una dura y rápida afirmación”, dice. “El caso todavía está abierto”.

Sin embargo, más pruebas pueden venir pronto. El telescopio Fermi de la NASA (antes conocido como GLAST), que se puso en marcha en junio de este año, está diseñado para la caza de rayos γ de alta energía. Pero el telescopio puede también observar electrones y positrones, de acuerdo con Morselli. En los próximos meses, predice que el telescopio será capaz de verificar los datos de positrones y electrones de PAMELA y ATIC. Además, Fermi puede ser capaz de detectar rayos γ que han llegado de las aniquilaciones de materia oscura. “En la primavera de 2009, tendremos mucho más información”, dice Morselli.

Imagen:

Varios experimentos pueden haber encontrado la materia oscura, cuya existencia se infiere aquí (en azul). NASA

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