Límites a la materia oscura

Las primeras mediciones de un observatorio de rayos gamma recién construido en China intentan poner límites a la probable descomposición de la materia oscura, esa hipotética sustancia que por décadas llevamos buscando.

En uno de los lugares más elevados y recónditos del planeta, en la meseta tibetana perteneciente a la provincia china de Sichuan, el Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) busca señales de rayos gamma generados en la Vía Láctea e incluso más allá y que podría ser la campanada que confirme la existencia de la elusiva materia oscura. 

El objetivo no es sencillo: por un lado, los astrónomos infieren la presencia de fotones de alta energía midiendo los estallidos de partículas secundarias que crean los rayos gamma cuando chocan con la atmósfera. Dicho de otra manera, cual serie continua de golpes de bolas de billar, desde las supuestas partículas de materia oscura inmersas en toda la galaxia, hasta fotones detectables por observatorios como LHAASO, los procesos se desarrollan uno a uno hasta pueden ser medidos y analizados.

Pero además, el propio instrumento es de lo más peculiar.

Detector de muones LHAASO-KM2A antes de que los contenedores sean enterrados.

LHAASO cubre un área de unas 145 hectáreas. Tiene tres piscinas de observación subterráneas, cada una más del triple del tamaño del Cubo de Agua en Beijing, aquel magnífico Centro Acuático Nacional que a todos sorprendió durante las olimpiadas de Beijing de 2008. Una de las piscinas está diseñada para contener 100,000 toneladas de agua y dentro de ellas hay receptores para capturar fotones de alta energía por radiación Cherenkov.

Bien, pues el equipo de LHAASO ha examinado mediciones en busca de signos de rayos gamma producidos por la descomposición de la materia oscura pesada dentro de nuestra galaxia, cuyos resultados fueron publicados en la revista Physical Review Letter

Al no encontrar tales signos, la búsqueda pone un límite superior a la tasa de descomposición de las partículas de materia oscura con masas en el rango de PeV (Peta electrónvolts).

Algunos modelos predicen que la materia oscura podría existir en forma de partículas con masas de 100 TeV o más. Si esas partículas de materia oscura tienen un tiempo de vida finito y se descomponen en partículas del modelo estándar, entonces deberían generar rayos gamma con energías superiores a 10 TeV.

Ilustración de la distribución de materia oscura en la Vía Láctea. Si esta sustancia existe, su concentración debería ser mayor hacia la parte central. LHAASO intenta detectar la descomposición de esta materia oscura, cuyas partículas secundarias llegan a la Tierra y se observan con diferentes energías.

Para encontrar evidencia de esta materia oscura tan pesada, el equipo analizó los datos recopilados por LHAASO durante sus primeros 570 días de operación. El grupo científico buscó rayos gamma en cinco áreas del cielo lejos del Plano Galáctico. Según los modelos de masa de la Vía Láctea, la densidad de materia oscura debería ser mayor cerca del Centro Galáctico. Por lo tanto, si la materia oscura en descomposición produce rayos gamma de alta energía, el flujo medido debería variar entre las áreas del cielo que fueron estudiadas. 

Como no se detectó tal diferencia, los investigadores concluyen que la materia oscura con masa PeV tiene una vida útil de al menos mil billones de billones de años.

Dicho de otra manera, si acaso la materia oscura está formada por este tipo de partículas, son necesarias muchas más observaciones y además habría que extender la búsqueda en otros rangos de energía, algunos cubiertos por LHAASO, pero otros detectables únicamente con otros observatorios.

Fuente: Detecting Dark Matter Decay

Referencia: Zhen Cao et al. (LHAASO Collaboration) Phys. Rev. Lett. 129, 261103

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