¿Una señal de materia oscura en el telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi?

La búsqueda de materia oscura en los rayos cósmicos es una tarea digna de Sísifo (por sus malas acciones, en el infierno, Sísifo fue obligado a empujar una piedra enorme cuesta arriba por una ladera empinada, pero antes de que alcanzase la cima de la colina la piedra siempre rodaba hacia abajo, y Sísifo tenía que empezar de nuevo desde el principio)

Una analogía sería buscar una nueva física en el LHC sin saber la función de distribución de partones dentro del protón. Aun así, recientemente hemos sido testigos de varios excesos astrofísicos (positrones en PAMELA, electrones en Fermi) que los teóricos de partículas han reconocido como «materia oscura» y los astrofísicos como «púlsares o algo así», ambos con argumentos igualmente sólidos. El sentimiento es que es imposible un descubrimiento sin ambigüedades de materia oscura en rayos cósmicos, aunque perfectamente podríamos descubrir materia oscura mediante otros medios, y luego utilizar la astrofísica para delimitar sus propiedades.

Sin embargo, hay una excepción a esta regla. La tradición dice que sólo la materia oscura puede producir una línea espectral de fotón monocromático; todos los fenómenos cósmicos estándar que conocemos producen un espectro continuo de fotones que normalmente pueden aproximarse bien mediante una ley exponencial. Por otra parte, la línea de rayos gamma puede producirse fácilmente mediante la aniquilación de partículas de materia oscura a débil escala en el centro galáctico. Hoy, la velocidad media de las partículas de materia oscura de nuestra galaxia es de aproximadamente 1/1000 la velocidad de la luz, por tanto están prácticamente en reposo desde el punto de vista de la cinemática relativista. Si se encuentran dos partículas de materia oscura y se aniquilan formando dos fotones (o un fotón y una partícula neutra adicional), la conservación del momento implica que la energía de los fotones resultantes debe ser igual a la masa de la materia oscura. Por lo tanto, la observación de una línea de rayo gamma desde el centro galáctico se consideraría como la pista decisiva de la presencia de materia oscura, y como premio nos daría una estimación de la masa de la partícula de materia oscura.

Suena demasiado bueno para ser cierto y, por supuesto, hay un inconveniente. La materia oscura es… bueno… oscura, por lo que no se relaciona directamente con fotones. En un modelo genérico de la materia oscura, la aniquilación 2-2 en fotones es un proceso en bucle cuya tasa es órdenes de magnitud menor que la aniquilación en otras partículas en el Modelo Estándar. Estas últimas no producen una línea de fotón, sino un espectro continuo (por ejemplo, la aniquilación de electrones produciría fotones por medio de la desaceleración radiactiva del estado final). Por esta razón, un modelo aleatorio de este zoológico, tal como el de Minimal Dark Matter (materia oscura mínima) y el neutralino del modelo MSSM (Minimal Supersymmetric Standard Model, modelo estándar supersimétrico mínimo) no predicen una línea de rayos gamma observable, dadas las restricciones actuales sobre el flujo del continuo de rayos gamma. Sin embargo, existen un puñado de modelos en los que la aniquilación 2-2 en fotones es mejorada por encima de una expectativa nula, y la línea resultante es potencialmente observable, ver ejemplos aquí o aquí.

El viernes pasado apareció un nuevo artículo en arXiv ¡que afirma que la línea de rayos gamma aparece en los datos recopilados durante los últimos 4 años por el satélite Fermi! La línea puede hallarse mediante un sofisticado análisis, que selecciona la región del cielo con la proporción óptima de señal-ruido de fondo, dependiendo del perfil de densidad que se supone para la materia oscura. Este análisis revela un aumento sobre el continuo de rayos gamma cerca de los 130 GeV. Esto correspondería a una partícula de materia oscura con una masa de 130 más/menos 2 GeV aniquilándose en dos fotones (o una partícula de aproximadamente 145 GeV que se aniquila en un bosón γ+Z, o una partícula de aproximadamente 155 GeV que se aniquila en una γ+Higgs). La importancia local de este pico es de 4,6 sigma, o 3,3 sigma después tener en cuenta el efecto de mirar en otros lugares. La mejor sección transversal de la aniquilación está ligeramente por encima de 10-27 cm3/s; una sección transversal típica para los procesos de interacción débil y aproximadamente 1/10 de la sección transversal total de aniquilación que se esperaría si la materia oscura es una reliquia térmica del Big Bang.

Uno debería tomar nota de que el análisis no se ha realizado por el equipo colaborativo Fermi, sino por personas externas a éste. De hecho, en un análisis similar realizado por el equipo del Fermi no se encontró ninguna línea significativa de señal de rayos gammas (pero con menos datos y métodos estadísticos menos elegantes). A diferencia de en la física de partículas, los datos recopilados por los experimentos astrofísicos están disponibles, a menudo, de forma pública para cualquiera con la suficiente habilidad y determinación para procesarlos. Desde luego, un análisis realizado por personal externo tiene menos peso debido a que se requiere cierta información relevante para evaluar con precisión los errores sistemáticos, y esto sólo lo conocen los miembros de la colaboración. No obstante, en el pasado, al menos un descubrimiento sobre los datos de Fermi fue reclamado antes por un análisis independiente y posteriormente confirmado y aceptado por la colaboración. En el caso que nos ocupa, los miembros de la colaboración admiten extraoficialmente que la línea está presente en sus datos, aunque con una menor significación estadística que lo que se afirma en el artículo.

Claramente, a esta altura no podemos afirmar aún que se haya observado una señal de materia oscura. Pero el exceso se ve lo bastante interesante como para echar un ojo a futuros desarrollos y esperar un comunicado oficial de Fermi. Y tal vez disfrutar del sufrimiento de algunos opositores, mientras tanto.

Fuente: Résonaances. Aportado por Eduardo J. Carletti

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