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Materia oscura

¿Oscuro y vacío destino final?

Proponen un nuevo modelo de energía oscura que predice un Cosmos futuro aún más vacío y aburrido que lo que se asumía.

Simulación a gran escala del Universo en la que se ven los filamentos de materia oscura. Fuente: John Wise, Tom Abel, Ralf Kaehler, Universidad de Stanford.

La idea que tenían en el medioevo sobre el Universo era muy distinta de la que tenemos ahora. Incluso a principios del Siglo XX desconocían muchas cosas que conocemos nosotros en este nuevo siglo. Incluso el gran divulgador de la Astrofísica que fue Carl Sagan se murió sin saber de la existencia de la energía oscura, concepto que ha cambiado radicalmente la visión que tenemos sobre el Cosmos.

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¿Posible prueba sobre la materia oscura?

Encuentran un exceso de rayos gamma procedente del centro galáctico que atribuyen a la presencia de materia oscura.

At left is a map of gamma rays with energies between 1 and 3.16 GeV detected in the galactic center by Fermi's LAT; red indicates the greatest number. Prominent pulsars are labeled. Removing all known gamma-ray sources (right) reveals excess emission that may arise from dark matter annihilations. Image Credit: T. Linden, Univ. of Chicago

At left is a map of gamma rays with energies between 1 and 3.16 GeV detected in the galactic center by Fermi’s LAT; red indicates the greatest number. Prominent pulsars are labeled. Removing all known gamma-ray sources (right) reveals excess emission that may arise from dark matter annihilations.
Image Credit: T. Linden, Univ. of Chicago

El asunto de la materia oscura probablemente es uno de los más frustrantes de la ciencia moderna. Pese a las décadas transcurridas desde que se propuso su existencia, todavía no se ha conseguido detectar directamente esta esquiva materia. Aunque falsas alarmas ha habido unas cuantas.

 

Known dwarf spheroidal satellite galaxies of the Milky Way overlaid on a Hammer-Aitoff projection of a 4-year LAT counts map (E>1??GeV). The 15 dwarf galaxies included in the combined analysis are shown as filled circles, while additional dwarf galaxies are shown as open circles.

Known dwarf spheroidal satellite galaxies of the Milky Way overlaid on a Hammer-Aitoff projection of a 4-year LAT counts map (E>1??GeV). The 15 dwarf galaxies included in the combined analysis are shown as filled circles, while additional dwarf galaxies are shown as open circles.

La última propuesta parte, otra vez, de los datos tomados por el observatorio espacial Fermi. Según un grupo de científicos del Fermilab, del CfA, del MIT y de University of Chicago un supuesto exceso de energía en forma de rayos gamma registrada por Fermi y procedente del centro galáctico se puede explicar bien si por allí hay materia oscura. Han elaborado incluso un nuevo mapa de la zona.
La presencia de púlsares, la colisión de nubes de gas y otras posibles explicaciones no son suficientes según Dan Hooper y colaboradores para explicar el exceso de energía observado. Sin embargo, si se tiene en cuenta la aniquilación de partículas de materia oscura, entonces los datos encajan mejor.

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Nuevas propuestas para detectores de WIMPs

Proponen dos nuevos sistemas para detectar las supuestas partículas que componen la materia oscura del Universo.

El ser humano lleva varias décadas intentando encontrar las partículas que forman la materia oscura sin mucho éxito. Se han instalado varios experimentos en minas profundas para así detectar estas hipotéticas partículas, a salvo de los rayos cósmicos que generarían tanto ruido en la señal que impediría reconocer la supuesta marca producida cuando muy raramente una de estas partículas interaccionan con la materia ordinaria. A estas partículas débilmente interactuantes de materia oscura se les ha denominado WIMP según sus siglas en inglés.

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La energía oscura se oculta

Entre las muchas teorías que tratan de explicar la naturaleza de la energía oscura se encuentran la quintaesencia y los campos fantasmas, dos hipótesis formuladas a partir de los datos de satélites como Planck y WMAP. Ahora investigadores de Barcelona y Atenas plantean que ambas posibilidades son solo un espejismo en las observaciones y es el vacío cuántico el que podría estar detrás de esa energía que mueve nuestro universo.

Los cosmólogos consideran que unas tres cuartas partes del universo están constituidas por una misteriosa energía oscura que explicaría su expansión acelerada. La verdad es que no saben lo que puede ser, así que plantean posibles soluciones.

Una es que exista la quintaesencia, un agente invisible gravitatorio que en lugar de atraer, repele y acelera la expansión del cosmos. Desde el mundo clásico hasta la Edad Media, ese término hacía referencia al éter o quinto elemento de la naturaleza, junto a la  tierra, el agua, el fuego y el aire.
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Dark Matters

The winter conference season is well under way, and what better way to fill my first blog post than with a report from one of the premier conferences in particle and astroparticle physics: the Rencontres de Moriond.

One of the nice things I like about attending a conference is that it lets me step away from my day-to-day work and think again about the wider context of what we do as physicists. In this conference, it was the progress being made in our understanding of dark matter that best seemed to bring together work from many different areas of investigation. (Note that some of the results I will mention were already included in Jessica Levêque’s post No Matter How Hard You Try… Standard Is Standard).

Artist’s impression of dark matter (in blue) surrounding the Milky Way. Credit: ESO/L. Calçada

Artist’s impression of dark matter (in blue) surrounding the Milky Way. Credit: ESO/L. Calçada

Dark matter is the material that holds galaxies and clusters of galaxies together – the evidence for its existence from astronomical measurements is overwhelming. The problem: no one knows what dark matter actually is. None of the particles we know will do the job, not even the elusive neutrinos. All we do know is that it must be electrically neutral, very weakly interacting, and stable over billions of years. But that’s pretty much it.

What to do? Well, we could try to detect collisions between dark matter particles and ordinary atoms. At the conference, the LUX and CDMS collaborations reported their searches to detect this mysterious substance. Neither group saw any evidence of a signal, more or less ruling out potential hints seen by other groups over the last few years. In addition, several searches for dark matter production in the ATLAS and CMS experiments were reported, also with null results.

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¿Está compuesta la materia oscura por neutrinos?

Un par de trabajos sugieren que los neutrinos tienen mayor masa de lo pensado y tendrían una gran contribución a la materia oscura.

A estas alturas todos conocemos el problema de materia oscura, esa masa que no vemos y que altera la rotación de las galaxias o contribuye al fenómeno de lentes gravitatorias. Normalmente se propone la existencia de partículas exóticas que den cuenta de esa masa, que es mucho mayor que la masa de la materia visible.
A veces se ha propuesto que sean los neutrinos los que hagan la materia oscura, al fin ya la cabo no interactúan prácticamente con la materia ordinaria. Para poder detectar alguno de los millones de neutrinos que nos atraviesan constantemente se usan miles de números de Avogadro de átomos corrientes y se espera a alguna interacción en un sitio aislado de la radiación natural. Esta baja interacción se debe a que los neutrinos sólo interaccionan con la materia ordinaria a través de la fuerza nuclear débil o la gravedad (que es la más débil de todas las fuerzas).
Hay tres tipos o “sabores” de neutrinos, cada uno asociado al electrón, al muón y al tau. Además, desde hace un tiempo, se ha propuesto la existencia de un cuarto neutrino que no interaccionaría con la materia ordinaria ni siquiera a través de la fuerza nuclear débil, sino que sólo interaccionaría con el resto de los neutrinos y con la gravedad. Tampoco sería capaz de cambiar su sabor. Los neutrinos estériles son un concepto puramente teórico, a diferencia de los otros tres tradicionales, que sí se han observado.

Neutrino mass and effective number constraints, labeled as in Fig. 1 (× indicates the ML model, + its shift from a 9% cluster mass increase). Bottom: S? sterile case for Td (left) and Ad (right). The region excluded by the msDW<7??eV prior is left of the dashed line. Top: A? active case for Td (left) and Ad (right). In all cases the minimal ?m?=0.06??eV, Neff=3.046, and ms=0 is highly excluded.

Neutrino mass and effective number constraints, labeled as in Fig. 1

En un principio se creía que los tres neutrinos tradicionales carecían de masa, pero el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos que hace que unos tipos se transformen en otros (y que resuelve el problema de la paradoja de los neutrinos solares) nos dice que tienen alguna masa. Esta masa es muy pequeña, con una cota inferior es de 0,06 eV. Pero nadie sabe su masa real. Si tuvieran una masa pequeña, pero muy por encima de esa cota, entonces podrían dar cuenta de la materia oscura, pues la cantidad de neutrinos (principalmente primordiales) es inmensa. Por el contrario, si tuvieran una masa un poco superior a esos 0,06 eV, entonces su contribución a la materia oscura sería despreciable.
Una manera de medir la materia oscura es analizando el fondo cósmico de microondas (FCM), que se corresponde a la luz emitida al cabo 380.000 años tras del Big Bang. El FCM contiene pequeñas irregularidades que dan cuenta de varios aspectos del Universo y que permiten testar los distintos modelos cosmológicos. También permite determinar la cantidad de materia oscura.
La distribución de las irregularidades es un reflejo de las fluctuaciones en densidad de materia que había tras el Big Bang. Fue precisamente en donde la densidad era mayor en donde la gravedad pudo actuar y crear más tarde los cúmulos de galaxias. Si se analiza la distribución de cúmulos en una época posterior y se comparan con las irregularidades del FCM se observa que no coinciden del todo. Pero, usando ciertos modelos, se puede deducir, usando la masa que tendrían que tener los neutrinos para que todo encajara.
Al principio del Universo, los neutrinos se moverían a velocidad relativista y no serían agrupados por la fuerza de gravedad. Pero una vez el Universo se enfrío lo suficiente, los neutrinos se moverían más despacio hasta agruparse al igual que la materia normal. El número de cúmulos de galaxias sería un reflejo de la masa de los neutrinos. Cuanto más masivos más contribuirían a la materia oscura.
En un artículo publicado recientemente Richard Battye (University of Manchester) y Adam Moss (University of Nottingham) se analizan los datos del FCM aportados por las misiones WMAP y Planck usando la idea antes expuesta y se llega a la conclusión de que la contribución de los neutrinos podrían dar cuenta de la materia oscura. Algo similar han hecho Mark Wyman (University of Chicago) y sus colaboradores.
En ambos casos proponen dos posibilidades. En la primera los tres neutrinos tradicionales tendrían una masa de 0,32 eV y 0,39 eV respectivamente, con barras de error que tienen una intersección común.
En la segunda sugieren la participación de neutrinos estériles en el escenario. Dependiendo del modelo usado se asigna una masa al neutrino estéril de entre 0,3 eV y 0,5 eV. Al parecer, esta segunda opción encaja mejor que la primera con los datos experimentales.

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