El Gran Colisionador de Hadrones genera partículas de anti-helio

 

Durante décadas, los astrofísicos han teorizado que la mayor parte de la materia de nuestro Universo está formada por una misteriosa masa invisible conocida como “Materia Oscura” (DM). Si bien los científicos aún no han encontrado ninguna evidencia directa de esta masa invisible ni han confirmado su apariencia, hay varias formas posibles en las que podríamos buscarla pronto. Una teoría es que las partículas de materia oscura podrían colisionar y aniquilarse entre sí para producir rayos cósmicos que proliferan por toda nuestra galaxia, de forma similar a como lo hacen las colisiones de rayos cósmicos con el medio interestelar (ISM).

Esta teoría podría probarse pronto, gracias a la investigación realizada con el Un gran experimento de colisionador de iones (ALICE), uno de varios experimentos con detectores en el CERN Gran Colisionador de Hadrones (LHC). ALICE está optimizado para estudiar los resultados de colisiones entre núcleos que viajan muy cerca de la velocidad de la luz (velocidades ultrarrelativistas). Según una nueva investigación de la Colaboración ALICEinstrumentos dedicados podrían detectar núcleos anti-helio-3 (la contraparte de antimateria de He3) a medida que llegan a la atmósfera de la Tierra, lo que proporciona evidencia de DM.

La teoría de la materia oscura surgió en la década de 1960 cuando los astrónomos realizaban pruebas de observación de la relatividad general (GR) utilizando galaxias distantes y cúmulos de galaxias. Una predicción clave de GR es que la curvatura del espacio-tiempo se altera en presencia de campos gravitatorios causados por objetos masivos. Esto se puede observar con lentes gravitacionales, un fenómeno en el que la luz de una fuente distante se distorsiona y amplifica (lo que lleva a los Anillos, Cruces y Arcos de Einstein). Sin embargo, al observar grandes estructuras en el Universo, los astrónomos notaron que la curvatura que observaron fue mucho mayor de lo esperado.

Esto sugería dos posibilidades: o Einstein estaba equivocado (a pesar de todas las pruebas que han demostrado que era correcto), o debe haber masa en el Universo que no podemos ver. Desde entonces, el desafío para los astrofísicos y cosmólogos ha sido encontrar evidencia directa de esta elusiva Materia Oscura. Tal y como indican en su estudio, aparecido recientemente en la revista Física de la naturaleza, podrían detectarse antinúcleos producidos por aniquilaciones de DM (dependiendo de la naturaleza de la propia DM). En este caso, la Colaboración ALICE utilizó el perfil teórico líder conocido como Partículas masivas de interacción débil (WIMP).

Según la teoría de las WIMP, la DM consiste en partículas que no emiten ni absorben luz y solo interactúan con otras partículas a través de la fuerza nuclear débil. Esta misma teoría también establece que la interacción entre estas partículas hace que se aniquilen entre sí y produzcan anti-He.3 núcleos compuestos por dos antiprotones y un antineutrón. Estos antinúcleos viajarían por toda nuestra galaxia y podrían medirse como rayos cósmicos, partículas de alta energía que se originan más allá de nuestro Sistema Solar y chocan con nuestra atmósfera (produciendo “lluvias” de partículas elementales).

Sin embargo, otros tipos de rayos cósmicos (protones de núcleos de helio) también pueden chocar con el medio interestelar (ISM) para crear anti-He.3 núcleos Dado que esta fuente de antinúcleos no está relacionada con DM, constituiría el antecedente para las búsquedas de DM. Como Laura Serksnyte, investigadora de la Technische Universitat de Munich y una de las expertas en el estudio, le dijo a Universe Today por correo electrónico:

“Se espera que el número esperado de núcleos de antihelio-3 de baja energía provenientes de la aniquilación de la materia oscura sea mucho mayor que el de la contribución de fondo. Por lo tanto, la detección de incluso unos pocos núcleos de antihelio-3 de baja energía en los rayos cósmicos proporcionaría una señal irrefutable para la materia oscura, lo que significa que el antihelio-3 es una sonda muy ‘limpia’ para las búsquedas de materia oscura”.

Sin embargo, esta pistola humeante podría ser difícil de rastrear, ya que anti-He3 los núcleos también podrían interactuar con el gas en el ISM a medida que se propagan por la Vía Láctea. Esta interacción inelástica haría que los núcleos anti-He3 desaparecieran antes de que alcanzaran la atmósfera de la Tierra, donde los instrumentos dedicados podrían detectarlos. En la Tierra, la única forma de producir y estudiar antinúcleos con alta precisión es crearlos en aceleradores de partículas de alta energía. Aquí, dijo Serksnyte, es donde entraron en juego el LHC y el instrumento ALICE:

“Nuestro experimento estudió las interacciones inelásticas del antihelio-3 (producido en las colisiones en el LHC) con la materia, donde el propio detector ALICE se utiliza como objetivo. Por lo tanto, nuestro trabajo proporcionó la primera medición de la sección transversal inelástica del antihelio-3, lo que limita la probabilidad de que el antihelio-3 desaparezca si choca con la materia”.

Después de medir el anti-He3 producido en el LHC, el equipo aplicó sus mediciones para ver cómo estos antinúcleos interactuarían con el gas en el ISM, ya sea como resultado de la aniquilación de DM o de las colisiones ordinarias de rayos cósmicos con el gas ISM. Al calcular el nivel de antinúcleos que desaparecen mientras viajan desde su punto de origen hasta los detectores en la atmósfera de la Tierra, pudieron estimar la fracción que sería detectable por nuestros instrumentos. Los resultados, dijo Serksnyte, fueron bastante alentadores:

“Nuestros resultados muestran que la transparencia de nuestra galaxia al paso de los rayos cósmicos antihelio-3 es alta y, por lo tanto, dichos antinúcleos podrían llegar a la Tierra y medirse mediante experimentos dedicados. Confirmando así que el antihelio-3 es un candidato prometedor para las búsquedas de materia oscura. Nuestra medición de la probabilidad de desaparición de los núcleos de antihelio-3 que interactúan con la materia también será utilizada por los científicos para comprender los flujos de rayos cósmicos de antihelio-3 una vez que se miden y para imponer restricciones a los modelos de materia oscura”.

El telescopio espacial Hubble ofrece una telaraña cósmica de galaxias y materia oscura en el cúmulo Abell 611. Crédito: ESA/Hubble, NASA, P. Kelly, M. Postman, J. Richard, S. Allen

Al imponer restricciones más estrictas sobre lo que los científicos podrían estar buscando, las encuestas futuras ayudarán a resolver uno de los misterios más apremiantes de la astrofísica actual. La detección de la Materia Oscura no solo confirmaría dónde se esconde el 85% de la materia del Universo. También validaría una parte clave de la teoría de la cosmología más ampliamente aceptada: la Lambda-Materia Oscura Fría (LCDM) y confirme que la relatividad general (un elemento básico de la física moderna) es correcta. Si bien ese no será el final de los misterios cosmológicos, conducirá a una mayor comprensión de todo.

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