La modulación anual de la señal en los detectores directos de materia oscura

Fuente: Francis (th)E Mule

El resultado más impresionante de todos los experimentos de búsqueda directa de la materia oscura es la modulación anual observada por el experimento DAMA/LIBRA, situado en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, a 120 km de Roma, que alcanza las 8,9 sigmas de confianza estadística (recuerda que 5 sigmas son suficientes para un descubrimiento científico). El Sol se mueve a unos 220 km/s a través del halo galáctico de materia oscura de la Vía Láctea; en junio la velocidad de la Tierra (unos 30 km/s) está a favor de la velocidad del Sol y en diciembre está en contra, como resultado el choque (scattering) entre partículas de materia oscura y un blanco de ioduro de sodio (NaI) dopado con talio (Tl) de 250 kg muestra una oscilación anual. El último artículo técnico que presentó este resultado es R. Bernabei et al., “New results from DAMA/LIBRA,” Eur. Phys. J. C 67: 39-49, 2010 [arXiv:1002.1028].

No hay ninguna explicación convincente para esta modulación anual que no sea la existencia de partículas de materia oscura que interaccionan con el blanco; por ahora, todas las demás posibles explicaciones han sido descartadas. Por ejemplo, la posibilidad de que los muones de los rayos cósmicos sean los responsables ha sido claramente descartada comparando los resultados de DAMA/LIBRA con los obtenidos por otros experimentos de Gran Sasso (R. Bernabei et al., “No role for muons in the DAMA annual modulation results,” arXiv:1202.4179).
Para el público general, tras el fiasco de OPERA y sus neutrinos superlumínicos, cualquier resultado que provenga de Gran Sasso sugiere la posibilidad de que haya un error experimental sutil no detectado. Hasta que otros experimentos no confirmen de forma definitiva la modulación observada por DAMA/LIBRA y su hipótesis de que la materia oscura es la responsable, el resultado seguirá en la antesala de los Premio Nobel de Física. Se ha propuesto un experimento similar en el Polo Sur, también con 250 kg de NaI(Tl) pero todavía está en fase final de diseño; hay un prototipo con 17 kg instalado en una de las varillas de IceCube, pero aún no se han publicado sus resultados (J. Cherwinka et al., “A Search for the Dark Matter Annual Modulation in South Pole Ice,” arXiv:1106.1156).

La modulación anual DAMA/LIBRA ha sido observada en algunos experimentos, como CoGeNT, pero con una confianza estadística, por ahora, mucho más pequeña, el problema es que otros experimentos no la han visto, como CDMS-II (CDMS Collaboration, “Search for annual modulation in low-energy CDMS-II data,” arXiv:1203.1309). ¿Por qué algunos experimentos han visto la modulación y otros no? La opinión de algunos expertos es que estos experimentos no tienen la sensibilidad suficiente para observar la modulación, aunque según los responsables de CDMS II (Cryogenic Dark Matter Search, situado en el Laboratorio Subterráneo de la mina de Sudán (Soudan Underground Laboratory), en Minnesota, EEUU, debería tenerla. Una manera de resolver este problema es suponer que la materia oscura interacciona de forma diferente con protones y neutrones de los núcleos, lo que justificaría que los experimentos con xenón, como CDMS II, no observen la modulación.

La interacción entre la materia oscura y los núcleos de los átomos debe depender del espín, ya que el mejor límite de exclusión obtenido hasta el momento en dicho caso, por el experimento XENON 100, también situado en Gran Sasso, excluye la región de parámetros que explica el resultado de DAMA/LIBRA y CoGeNT (XENON100 Collaboration, “Dark Matter Results from 100 Live Days of XENON100 Data,” Phys. Rev. Lett. 107: 131302, 2011 [arXiv:1104.2549]). Sin embargo, algunos autores consideran que la sensibilidad de XENON100 en la región de partículas WIMP de baja masa no es suficiente para excluir un resultado compatible con DAMA/LIBRA.

El análisis de todos los experimentos de detección directa de la materia oscura requiere un modelo teórico subyacente y este modelo está sustentado en ciertas hipótesis estadísticas. El contorno (a) en esta figura es similar al obtenido por la colaboración XENON100, sin embargo, cambios en el modelo permiten mover esta curva hasta la posición (g), donde la compatibilidad con DAMA/LIBRA y CoGeNT es bastante buena. Esta figura está extraída de J.I. Collar, “A Realistic Assessment of the Sensitivity of XENON10 and XENON100 to Light-Mass WIMPs,” arXiv:1106.0653. El experimento XENON1T, actualmente en fase de construcción, decidirá fuera de toda dudas esta cuestión en un par de años.
En resumen, el resultado más impresionante en las búsquedas directas de la materia oscura apunta a partículas WIMP con una masa de pocos GeV, pero se encuentra en tensión con otros experimentos. En menos de un lustro sabremos si este resultado se confirma o se refuta. La materia oscura es mucho más sutil de lo que parece y las evidencias experimentales parece que se contradicen entre sí. Sabemos que existe pero cada día es más difícil construir un modelo teórico que la explique bien. Los jóvenes físicos tienen un gran filón con la materia oscura y la segunda década del s. XXI quizás pase a la historia por la solución de este problema.