La Esperanza del ‘Milagro DÉBIL’ Para la Materia Oscura Está Muerta

busque débiles que puedan retroceder con núcleos atómicos. La Colaboración LZ proporcionará los mejores límites en las secciones transversales de WIMP-nucleon de todos, pero los escenarios mejor motivados para que una partícula impulsada por fuerza débil en o cerca de la escala electrodébil constituya el 100% de la materia oscura ya están descartados. Colaboración LUX-ZEPLIN (LZ) / Laboratorio Acelerador Nacional SLAC

La materia oscura no solo es la forma de materia más abundante en el Universo, sino que también es la más misteriosa. Mientras que todas las demás partículas que conocemos-átomos, neutrinos, fotones, antimateria y todas las demás partículas del Modelo Estándar — interactúan a través de al menos una de las fuerzas cuánticas conocidas, la materia oscura parece interactuar solo a través de la gravedad.

Según muchos, sería mejor haberlo llamado materia invisible, en lugar de materia oscura. No solo no emite ni absorbe luz, sino que no interactúa con ninguna de las partículas conocidas y detectables directamente a través de las fuerzas nucleares electromagnéticas, fuertes o débiles. El candidato de materia oscura más buscado es el WIMP: la Partícula Masiva Que Interactúa Débilmente. La gran esperanza era un milagro DÉBIL, una gran predicción de supersimetría.

Es 2019, y esa esperanza ahora se ha desvanecido. Los experimentos de detección directa han descartado completamente a los débiles que esperábamos.

sonda de la estructura interna de las partículas que colisionan. Si uno de ellos no es fundamental, sino más bien una partícula compuesta, estos experimentos pueden revelar su estructura interna. Aquí, un experimento está diseñado para medir la señal de dispersión de materia oscura/nucleón. Sin embargo, hay muchas contribuciones mundanas de fondo que podrían dar un resultado similar. Esta señal en particular aparecerá en detectores de germanio, XENÓN líquido y ARGÓN líquido. Descripción General de la Materia Oscura: Búsquedas de Detección Directa e Indirecta de Colisionadores-Queiroz, Farinaldo S. arXiv: 1605.08788

El Universo, desde una perspectiva astrofísica, tiene que estar hecho de algo más que la materia normal que conocemos. La materia normal, en este caso, califica como cualquiera de las partículas conocidas en el Modelo Estándar. Incluye cualquier cosa hecha de quarks, leptones o bosones conocidos, e incluye objetos exóticos como estrellas de neutrones, agujeros negros y antimateria. Toda la materia normal en el Universo se ha cuantificado a través de una variedad de métodos, y solo suma hasta aproximadamente una sexta parte de lo que debe estar presente, en general, para explicar las interacciones gravitacionales que vemos en escalas cósmicas.

El gran problema, por supuesto, es que toda nuestra evidencia de materia oscura es indirecta. Podemos observar sus efectos en el laboratorio astrofísico del espacio, pero nunca lo hemos detectado directamente, en un laboratorio aquí en la Tierra. Eso no es por falta de intento.

detector instalado dentro del gran protector de agua. Si hay una sección transversal distinta de cero entre la materia oscura y la materia normal, un experimento como este no solo tendrá la oportunidad de detectar la materia oscura directamente, sino que también existe la posibilidad de que la materia oscura finalmente interactúe con su cuerpo humano. INFN

Si desea detectar directamente la materia oscura, no es tan simple como detectar las partículas conocidas del Modelo Estándar. Para cualquier cosa hecha de quarks, leptones o bosones conocidos, podemos cuantificar a través de qué fuerzas interactúan y con qué magnitud. Podemos usar lo que sabemos sobre física, y en particular sobre las fuerzas conocidas y las interacciones entre las partículas conocidas, para predecir cantidades como secciones transversales, velocidades y productos de desintegración, amplitudes de dispersión y otras propiedades que somos capaces de medir en la física experimental de partículas.

A partir de 2019, nos hemos reunido con un éxito tremendo en aquellos frentes que han confirmado el Modelo Estándar de maneras que tanto teóricos como experimentadores podrían haber soñado hace solo medio siglo. Los detectores en colisionadores e instalaciones subterráneas aisladas han liderado el camino a seguir.

han sido detectados directamente, con el último que se mantuvo, el bosón de Higgs, cayendo en el LHC a principios de esta década. Todas estas partículas se pueden crear a energías de LHC, y las masas de las partículas conducen a constantes fundamentales que son absolutamente necesarias para describirlas completamente. Estas partículas pueden ser bien descritas por la física de las teorías cuánticas de campo subyacentes al Modelo Estándar, pero no describen todo, como la materia oscura. E. Siegel / Más allá de la Galaxia

Hay todo un espectro de partículas, tanto fundamentales como compuestas, predichas por el Modelo Estándar. Sus interacciones a través de las fuertes fuerzas nucleares, electromagnéticas y nucleares débiles se pueden calcular a través de técnicas desarrolladas en la teoría cuántica de campos, lo que nos permite crear y detectar esas partículas de diversas maneras.

Cada quark y antiquark se ha producido directamente en un acelerador, con el quark superior, el último que se mantuvo, cayendo en 1995.

Cada leptón y antilepton ha sido visto por detectores, con el neutrino tau (y su contraparte de antimateria, el antineutrino tau) completando el sector de leptones a principios y mediados de la década de 2000.

Y cada uno de los bosones del Modelo Estándar ha sido creado y detectado también, con el bosón de Higgs, la pieza final del rompecabezas, apareciendo definitivamente en el LHC en 2012.

boson fue anunciado hace unos años por las colaboraciones de CMS y ATLAS. Pero el bosón de Higgs no produce un solo «pico» en los datos, sino más bien un bulto extendido, debido a su incertidumbre inherente en la masa. El valor de su masa a 125 GeV/c^2 es desconcertante para los físicos, pero no tan desconcertante como el rompecabezas de la materia oscura. La Colaboración CMS, «Observación del decaimiento difotón del bosón de Higgs y medición de sus propiedades», (2014)

Entendemos cómo se comportan las partículas del Modelo Estándar. Tenemos predicciones sólidas sobre cómo deberían interactuar a través de todas las fuerzas fundamentales, y confirmación experimental de esas teorías. También tenemos limitaciones extraordinarias sobre cómo se les permite interactuar de una manera más allá del Modelo Estándar. Debido a nuestras limitaciones de aceleradores, rayos cósmicos, experimentos de desintegración, reactores nucleares y más, hemos podido descartar muchas ideas posibles que se han teorizado.

Cuando se trata de lo que podría constituir la materia oscura, sin embargo, todo lo que tenemos son las observaciones astrofísicas y nuestro trabajo teórico, en conjunto, para guiarnos. Las posibles teorías que se nos han ocurrido incluyen un gran número de candidatos de materia oscura, pero ninguna que haya obtenido apoyo experimental.

acoplar a materia oscura o no. La gravedad es una certeza; todos los demás no lo son o están muy limitados en cuanto al nivel de interacción. Instituto Perimetral

El candidato de materia oscura más buscado es el WIMP: la Partícula Masiva que Interactúa Débilmente. En los primeros días — es decir,, en la década de 1970, se dio cuenta de que algunas teorías de física de partículas que predecían nuevas partículas más allá del Modelo Estándar podrían producir nuevos tipos de partículas estables y neutras si hubiera algún tipo nuevo de paridad (un tipo de simetría) que evitara que se pudrieran.

Esto ahora incluye ideas como supersimetría, dimensiones adicionales o el escenario del pequeño Higgs. Todos estos escenarios tienen la misma historia en común:

• Cuando el Universo era caliente y denso al principio, todas las partículas (y antipartículas) que se podían crear se crearon en gran abundancia, incluidas las extra, más allá de las del Modelo Estándar.
• Cuando el Universo se enfrió, esas partículas se descompusieron en partículas progresivamente más ligeras y estables.
• Y si el más ligero fuera estable (debido a la nueva simetría de paridad) y eléctricamente neutral, persistiría hasta el día de hoy.

Si evalúa cuál es la masa y la sección transversal de esas nuevas partículas, puede obtener una densidad predicha para su abundancia estimada hoy.

abundancia de materia oscura (eje y), necesita que la materia oscura tenga las secciones transversales de interacción correctas con la materia normal (izquierda) y las propiedades de auto-aniquilación correctas (derecha). Los experimentos de detección directa ahora descartan estos valores, necesarios por Planck (verde), que desfavorecen a la materia oscura débil que interactúa con la fuerza débil. P. S. Bhupal Dev, Anupam Mazumdar, & Saleh Qutub, Front.in Phys. 2 (2014) 26

De ahí surgió la idea de la materia oscura DÉBIL. Estas nuevas partículas no podrían haber interactuado a través de la interacción fuerte o electromagnética; esas interacciones tienen una sección transversal demasiado alta y ya habrían aparecido. Pero la débil interacción nuclear es una posibilidad. Originalmente, la» W » en WIMP representaba la interacción débil, debido a una coincidencia espectacular (que aparece en supersimetría) conocida como el milagro de WIMP.

Si pones la densidad de materia oscura que el Universo requiere hoy en día, puedes inferir cuántas partículas de materia oscura necesitas de una masa dada para conformarla. La escala de masas de interés para la supersimetría — o cualquier teoría que aparezca en la escala electrodébil — está en el estadio de 100 GeV a 1 TeV, por lo que podemos calcular cuál debe ser la sección transversal de autoanquililación para obtener la abundancia correcta de materia oscura.

Ese valor (de sección transversal multiplicado por velocidad) resulta ser de alrededor de 3 × 10-26 cm3/s, que está en línea con lo que esperaría si tales partículas interactuaran a través de la fuerza electrodébil.

cada interacción fundamental que abarca las fuerzas fuertes, débiles y electromagnéticas, incluso en condiciones de alta energía y baja temperatura/condensada. Si hay una partícula nueva que se acopla a la interacción débil, interactuarán, en algún nivel, con las partículas conocidas del Modelo Estándar, y por lo tanto tendrán una sección transversal con el protón y el neutrón. de Carvalho, Vanuilo S. et al. Nucl.Phys. B875 (2013) 738-756

Por supuesto, si alguna partícula nueva interactúa a través de la fuerza electrodébil, también se acoplaría a las partículas Modelo Estándar. Si una partícula nueva se acopla, por ejemplo, al bosón W o Z (que llevan la fuerza débil), entonces hay una probabilidad finita, no nula de que estas partículas colisionen con cualquier partícula a la que se acoplen un bosón W o Z, como un quark dentro de un protón o neutrón.

Esto significa que podemos construir experimentos de materia oscura buscando un retroceso nuclear de partículas de materia normales conocidas. Retroceder más allá de los causados por la materia normal sería evidencia de la existencia de la materia oscura. Claro, hay eventos de fondo: neutrones, neutrinos, núcleos en descomposición radioactiva en la materia circundante, etc. Pero si conoces las combinaciones de energía e impulso de la señal que estás buscando, y diseñas tu experimento inteligentemente, puedes cuantificar tu fondo y extraer cualquier señal potencial de materia oscura que pueda estar allí.

la colaboración LUX, que descartó efectivamente el último espacio de parámetros de la era 2000 para los débiles que interactúan a través de la fuerza débil que es el 100% de la materia oscura. Observe, en las áreas ligeramente sombreadas en el fondo, cómo los teóricos están haciendo predicciones nuevas y ‘revisadas’ en secciones transversales cada vez más bajas. No hay una buena motivación física para hacer esto. Colaboración LUX, Phys. Reverendo Lett. 118, 251302 (2017)

Estos experimentos han estado en curso durante décadas, y no han visto materia oscura. Las restricciones modernas más estrictas provienen de LUX (arriba) y XENON 1T (abajo). Esos resultados nos informan de que la sección transversal de interacción para protones y neutrones es extraordinariamente pequeña, y son diferentes tanto para escenarios dependientes del espín como para escenarios independientes del espín.

LUX nos llevó a límites de sección transversal dependientes del espín por debajo de 1,0-1,6 × 10-41 cm2 para protones y neutrones y otros independientes del espín por debajo de 1,0 × 10-46 cm2: lo suficientemente bajo como para descartar todos los modelos de materia oscura SUSY propuestos para 2001. Una restricción más sensible ahora proviene del XENÓN: la restricción de neutrones dependiente del espín es de 6 × 10-42 cm2, mientras que las secciones transversales independientes del espín están por debajo de 4,1 × 10-47 cm2, apretando aún más los tornillos.

ahora obtiene sus límites más estrictos del experimento XENON1T, que ha mejorado con respecto a todos los experimentos anteriores, incluido LUX. Mientras que los teóricos y fenomenólogos sin duda continuarán produciendo nuevas predicciones con secciones transversales cada vez más pequeñas, la idea de un milagro DÉBIL ha perdido toda motivación razonable con los resultados experimentales que ya tenemos entre manos. E. Aprile et al., Phys. Reverendo Lett. 121, 111302 (2018)

Esta es una medida diferente a tener partículas de materia oscura auto-aniquiladas, pero esa medida nos dice algo increíblemente valioso. Estos experimentos descartan los modelos de supersimetría o dimensiones adicionales que dan la abundancia de materia oscura adecuada a través de las interacciones débiles. Si hay materia oscura DÉBIL, debe ser más débil de lo que la interacción débil permite para comprender el 100% de la materia oscura. Además, el LHC no debería producirlo de forma detectable.

Los teóricos siempre pueden ajustar sus modelos, y lo han hecho muchas veces, empujando la sección transversal anticipada hacia abajo y hacia abajo como resultado nulo después de que el resultado nulo llegue. Sin embargo, ese es el peor tipo de ciencia que se puede hacer: simplemente cambiando los postes de la portería sin otra razón física que sus limitaciones experimentales se han vuelto más severas. Al hacerlo, ya no hay ninguna motivación, aparte de preferir una conclusión que los datos descarten.

firmas que los físicos han estado buscando en el LHC, desde dimensiones adicionales hasta materia oscura, partículas supersimétricas y micro agujeros negros. A pesar de todos los datos que hemos recopilado de estas colisiones de alta energía, ninguno de estos escenarios ha mostrado evidencia que apoye su existencia. Experimento CERN / ATLAS

Pero realizar estos experimentos de detección directa sigue siendo increíblemente valioso. Hay otras formas de producir materia oscura que van más allá del escenario más convencional. Además, estas restricciones no requieren una fuente de materia oscura que no sea débil. Muchos otros escenarios interesantes no necesitan un milagro DÉBIL.

Durante muchas décadas, se ha reconocido que la «W» no representa la interacción débil, sino que representa una interacción no más fuerte de lo que permite la fuerza débil. Si tenemos partículas nuevas, más allá del Modelo Estándar, también se nos permite tener nuevas fuerzas e interacciones. Experimentos como XENÓN y LUX son nuestra única forma de probarlos.

Además, los candidatos a materia oscura que son producidos por un mecanismo diferente en rangos de masa más bajos, como axiones o neutrinos estériles, o a través de la interacción gravitacional sola en masas más altas, como WIMPzillas, están muy en juego.

buscando explotar una interacción hipotética para un candidato de materia oscura no DÉBIL: el axión. Los axiones, si son la materia oscura, podrían convertirse en fotones a través de la interacción electromagnética, y la cavidad que se muestra aquí está diseñada para probar esa posibilidad. Sin embargo, si la materia oscura no tiene las propiedades específicas que los experimentos actuales están probando, ninguno de los detectores que hemos construido la encontrará directamente. Axion Dark Matter Experiment (ADMX) / LLNL’s flickr

Nuestra búsqueda de materia oscura en el laboratorio, a través de esfuerzos de detección directa, continúa imponiendo importantes restricciones a lo que la física puede estar presente más allá del Modelo Estándar. Sin embargo, para aquellos que están casados con los milagros, cualquier resultado positivo ahora parece cada vez más improbable. Esa búsqueda es ahora una reminiscencia del borracho que busca sus llaves perdidas debajo de la farola. Sabe que no están allí, pero es el único lugar donde brilla la luz que le permite mirar.

El milagro DÉBIL puede estar muerto y desaparecido, ya que las partículas que interactúan a través de la fuerza débil en la escala electrodébil han sido desfavorecidas por los colisionadores y la detección directa. La idea de materia oscura DÉBIL, sin embargo, sigue viva. Solo tenemos que recordar, cuando escuchas a WIMP, incluimos materia oscura que es más débil y débil de lo que incluso las interacciones débiles permitirán. Sin duda, hay algo nuevo en el Universo, esperando a ser descubierto.

El milagro de WIMP ha terminado. Pero todavía podríamos obtener el mejor milagro de todos: si estos experimentos dan como resultado algo más allá de un resultado nulo. La única manera de saberlo es mirar.

Sígueme en Twitter. Echa un vistazo a mi sitio web o a algunos de mis otros trabajos aquí.