Materia Oscura y LHC

La materia oscura no está dentro del Modelo Estándar, pero sabemos que existe. La teoría más extendida es que estaría formada por partículas de tipo WIMP. Estas partículas  serían masivas pero con una interacción muy débil con la materia ordinaria. Experimentos como LUX, COGENT o CDMS están diseñados para su búsqueda pero, ¿podemos detectar estas partículas en el LHC?

En la entrada anterior hablamos de la existencia y algunas de las propiedades conocidas de la materia oscura. Varios experimentos persiguen las partículas (WIMP) que formarían la materia oscura. El LHC podría llegar más allá e incluso producirlas en las colisiones. Pero ¿podemos detectar algo que es más huidizo que los esquivos neutrinos o el perseguido bosón de Higgs? En realidad, no. La detección de estas partículas no es posible en un detector de partículas como ATLAS o CMS. Su interacción sería tan débil que escaparían del detector sin dejar el mínimo rastro. Pero si estáis familiarizados con la física de partículas, esto no os debería parecer nuevo. Lo mismo ocurre con los neutrinos producidos en las colisiones. En detectores como ATLAS o CMS, los neutrinos no se detectan, atraviesan el detector sin inmutarse. Lo que si que se consigue es inferir su presencia. ¿Cómo se sabe cuando se ha producido un neutrino (o materia oscura) en una colisión? Para ello debemos hablar de las leyes de conservación.

El pilar fundamental de la física son las leyes de conservación, la carga y la energía, son las más conocidas. Pero hay otra al mismo nivel, la conservación del momento o cantidad de movimiento (p), en su forma clásica es equivalente a masa por velocidad. En realidad energía y momento están ligadas en lo que se conoce como cuadrimomento (E/c, p) que es la cantidad conservada. La conservación del momento es lo que hace que el cañón retroceda al lanzar el proyectil. El conjunto cañón más proyectil inicialmente está parado, si el proyectil sale en una dirección el cañón tiene que “salir” en la opuesta, aunque al pesar menos su velocidad de retroceso será menor que la del proyectil.

En una colisión en LHC tenemos dos protones que se mueven en la misma dirección (dirección del haz) y sentidos opuestos. Del resultado del choque aparecerán nuevas partículas, pero estás tendrán que conservar la energía y el momento de los protones iniciales. Las partículas que se produzcan podrán tener un dirección cualquiera, pero el resultado total de sus energías y momentos tiene que igualar la de los protones iniciales. Esto nos dice que la suma de los momentos en el plano transverso (plano perpendicular a los protones, ver figura abajo) tiene que ser cero, ya que estos no tenían inicialmente. Esta es una cualidad muy importante de las colisiones en física de partículas en aceleradores.
Pero, ¿cómo nos ayuda esto en la búsqueda de materia oscura? Cuando se crean neutrinos o materia oscura atravesarán el detector sin ser detectados, cuando hagamos la suma de los momentos obtendremos que nos faltará momento transverso. La suma del momento en el plano transverso no se compensará. Cuando esto ocurre sabemos que se ha creado una partícula “invisible”. En realidad, esto también ocurre cuando tenemos errores de medida en los detectores (no medimos de forma exacta el valor del momento de las partículas) pero en nuestro caso estamos buscando gran cantidad de momento transverso faltante. Sabiendo esto estamos un paso más cerca de detectar la materia oscura.

Hemos hablado de neutrinos y materia oscura en el mismo plano. Si se comportan igual, ¿es posible distinguirlos? La buena noticia es que la producción de neutrinos está predicha de forma precisa por el Modelo Estándar. Así que usando cálculos y simulaciones podemos encontrar cuanto del momento transverso faltante está producido por los neutrinos y cuanto no lo está. Ya tenemos una forma de “observar” si se ha creado materia oscura. Pero no podemos buscar en todas las colisiones rastro de materia oscura. Lo más eficiente es buscar en colisiones donde es más probable y fácil de detectar. Seleccionaremos colisiones donde veamos solo una partícula en el detector (con gran momento en plano transverso) como resultado de la colisión. Sabemos que necesariamente debería haberse creado al menos otra para compensar el momento transverso. La partícula óptima para esta búsqueda, debido a su alta tasa de producción, es el quark. Los quarks se detectan como una cascada de productos procedentes de su desintegración a esto se lo conoce como jet.  Si tenemos un jet producido de forma individual en una colisión se lo conoce como mono-jet. En la imagen abajo podemos ver una colision en CMS con un mono-jet. El jet  procedente del quark está en la parte izquierda siendo la flecha de la parte derecha la indicación de que faltaría momento transverso, el momento transverso faltante que buscamos.

Si estudiamos todas las colisiones en las que solo vemos como resultado un jet y restamos las esperadas (por presencia de neutrinos o ineficiencias en el detector) obtendremos la materia oscura. Nuevas partículas candidatas a materia oscura para ser correctos. Por el momento la búsqueda no ha dado lugar a indicios de materia oscura y lo que se obtiene de los análisis son limites a la tasa de producción e interacción de esta con la materia ordinaria. Abajo podemos ver los resultados del experimento CMS comparados con la búsqueda directa en detectores dedicados como CoGeNT, CDMS, LUX, … Los análisis en LHC son complementarios a las búsquedas directas, siendo más competitivos cuando menor es la masa del WIMP. Con la nueva energía de LHC se espera que los resultados mejoren sustancialmente en la zona de media de masas.

Pero el estudio de nuevas partículas tipo WIMP no terminará cuando se tenga prueba de su existencia. Lo más interesante será descubrir dentro de que teoría se engloba la nueva partícula: teoría con dimensiones extra, super-simetría, …  Solo el estudio de las características de la partícula y su producción (¿se producen solo en pares?) nos dará información para descartar o encumbrar las teorías más allá del Modelo Estándar.