3 de Febrero de 2014
ALTAS ENERGÍAS

La búsqueda de materia oscura en el LHC

La colaboración ATLAS no halla indicios de las elusivas partículas.

¿Materia oscura en el LHC? Representación esquemática de la clase de procesos que han estado buscando los físicos de ATLAS. Antes de chocar, uno de dos quarks incidentes (izquierda) radia un bosón W. El choque produciría luego dos partículas de materia oscura (derecha), las cuales escaparían del laboratorio sin dejar rastro [Adaptado de ATLAS, arXiv:1309.4017].

Buena parte de los experimentos que buscan materia oscura se esfuerzan por detectar sus elusivas partículas a su paso por la Tierra. Otra posibilidad, sin embargo, reside en intentar crear partículas de materia oscura directamente en el laboratorio, en experimentos de muy alta energía. ¿Podrían haberse producido en las colisiones de protones que hasta ahora ha estado llevando a cabo el Gran Colisionador de Hadrones (LHC)? Para responder a esa pregunta, la colaboración ATLAS ha cribado los datos obtenidos por el acelerador durante 2012, correspondientes a choques entre protones a una energía total de 8 TeV. Por el momento, sin embargo, su análisis no ha arrojado ningún indicio de las anheladas partículas.

Pocos físicos ponen en duda la existencia de la materia oscura. Desde hace décadas, todo tipo de observaciones astrofísicas y cosmológicas vienen indicando que en torno al 85% de toda la materia existente en el universo estaría formada por esta enigmática sustancia que no absorbe ni emite luz. La presencia de materia oscura se hace patente a partir de los intensos efectos gravitatorios que ejerce sobre estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias; pero, por lo demás, la naturaleza de las partículas que la componen continúa siendo una incógnita. Los modelos más aceptados suponen que —aparte de mediante la fuerza de la gravedad— las partículas de materia oscura solo interaccionarían con la materia ordinaria por medio de la fuerza nuclear débil u otra interacción de intensidad igualmente pequeña.

Los físicos de ATLAS se han centrado en buscar cierta clase de procesos en los que una hipotética producción de partículas de materia oscura hubiese venido acompañada de la emisión de un chorro hadrónico; es decir, de un chorro de partículas formadas por quarks. Sus resultados aparecieron publicados la semana pasada en Physical Review Letters.  

«Es un trabajo interesante, ya que los aceleradores son muy sensibles a partículas de materia oscura con masas pequeñas, de en torno a 10 GeV, que es justamente donde varios experimentos de detección directa han observado algunas anomalías», explica Alejandro Ibarra, investigador de la Universidad Técnica de Múnich experto en materia oscura. Durante los últimos años, algunos de los laboratorios que intentan detectar partículas de materia oscura a su paso por la Tierra han obtenido resultados que, sin ser concluyentes, algunos físicos han interpretado como posibles señales de una nueva partícula. 

Las colisiones entre protones que lleva a cabo el LHC deben verse como choques entre los quarks y gluones que los constituyen. Los físicos de ATLAS han buscado colisiones en los que uno de los quarks incidentes emitiese un bosón W o Z, el cual se desintegraría después en forma de chorro hadrónico, fácilmente observable en los detectores. Si, más tarde, el choque entre los quarks generase partículas de materia oscura, estas atravesarían los detectores sin dejar rastro, por lo que se observaría un déficit de energía con respecto a la energía de las partículas incidentes. 

Modelos efectivos

A la hora de relacionar los resultados experimentales con la teoría, los físicos de ATLAS han considerado un modelo simplificado en el que la interacción entre los quarks y las partículas de materia oscura tendría lugar de forma puntual; es decir, un modelo efectivo que no resuelve los detalles de las partículas mediadoras que pudieran intervenir en el proceso (véase la ilustración).

Ibarra explica el alcance de dicha modelización: «La teoría efectiva es válida cuando la escala de energía de la nueva física es mucho mayor que el momento que se intercambia en el proceso». El físico aduce que, dada la energía de las colisiones entre protones que lleva a cabo el LHC, «si hubiera nuevas partículas de 1 TeV que median la interacción entre los quarks y la materia oscura, tales partículas deberían poder producirse directamente, por lo que la estrategia de búsqueda cambiaría por completo». 

Con todo, tales objeciones afectan a la interpretación de los datos, no a los resultados en sí: «Por supuesto, esta crítica se aplica a la hora de poner límites. Si ATLAS no observa ningún evento significa que no hay indicación de partículas de materia oscura, lo cual es un resultado importante con independencia de cómo se empleen luego las medidas para imponer límites sobre unos modelos u otros», concluye el investigador.

Más información en Physical Review Letters (el artículo técnico es de acceso libre) y Physics.

—IyC

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