Nueva búsqueda de materia oscura en el LHC

Experimento ATLAS del gran colisionador de hadrones. /Claudia Marcelloni/CERN.


Investigadores del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE, un consorcio de la Generalitat de Cataluña y la Universidad Autónoma de Barcelona) han finalizado un estudio con datos del experimento ATLAS que busca materia oscura en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). En concreto, han usado ‘monojets, un tipo de sucesos producidos en las colisiones de alta energía del acelerador del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) para aclarar la producción de las llamadas WIMP, partículas propuesta para formar materia oscura.

Además, los investigadores han aplicado este método para buscar partículas supersimétricas o nuevas dimensiones espaciales. Con el LHC a punto de volver a funcionar tras dos años de parada técnica, este método aparece como uno de los más prometedores para la búsqueda de nueva física.

La materia oscura es una nueva clase de materia que ni absorbe ni emite luz. Su existencia se infiere por pistas indirectas, como la medida de las velocidades de estrellas en galaxias o de galaxias en cúmulos, que muestran una discrepancia entre la masa, calculada a partir de sus efectos gravitacionales (usando la Ley de Newton), y la calculada a partir de la distribución de luz emitida.

Esta discrepancia se conoce desde los años 30 del siglo pasado, y no puede ser explicada por fuentes de materia ordinaria en el universo. De hecho, la materia oscura sería responsable del 25% del contenido de energía del Universo.

Uno de los candidatos favoritos para materia oscura son las llamadas WIMP (weakly interacting massive particles) o partículas con masa que actuan débilmente. Serían partículas relativamente pesadas (con masas mayores que las del protón, 1 GeV). En el LHC se podría producir materia oscura en las colisiones entre protones, pero, puesto que son partículas que interactúan débilmente, la materia oscura escaparía sin ser detectada en los experimentos.

Identificar la producción de WIMPs

Por ello, los físicos en el LHC intentan identificar la presencia de las WIMP cuando se producen acompañados por otras partículas energéticas, por ejemplo gluones (partículas mediadoras de la fuerza fuerte, una de las interacciones fundamentales en la naturaleza). Estos sucesos se observan en el detector como señales muy limpias con un solo chorro de partículas (proveniente del gluón), también llamados ‘monojets’.

Otros canales usados en la búsqueda de materia oscura en el LHC se centran en colisiones con fotones, bosones W y Z o quarks top. Sin embargo, el canal de monojets es el más potente en términos de sensibilidad para la búsqueda de WIMPs.

Un grupo de científicos de ATLAS liderado por miembros del IFAE ha llevado a cabo una nueva búsqueda de materia oscura usando todos los datos acumulados por el experimento en 2012, cuando se produjeron colisiones a una energía de 8 TeV.

El estudio, publicado en el repositorio digital arXiv y enviado para su publicación a la revista European Physical Journal C, ha requerido una evaluación detallada de los procesos de fondo que pueden dar lugar a señales de mono-jets no provenientes de materia oscura, para lo cual el equipo ha usado todo el potencial de ATLAS.

Los resultados muestran acuerdo con las predicciones del modelo estándar, teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones, sin observar aún una posible señal de materia oscura. Los científicos han usado los resultados para definir los escenarios de producción de materia oscura en el LHC y complementar la información de otros experimentos. Además los resultados han permitido poner límites a la presencia de nuevas dimensiones espaciales (más allá de las cuatro conocidas), así como a la producción de partículas supersimétricas.

“Aunque de momento se no han obtenido señales de materia oscura, el análisis de monojets es uno de los más prometedores para el segundo ciclo de funcionamiento del LHC (Run 2) a punto de comenzar, donde los científicos españoles juegan un papel central”, sostiene Mario Martínez, investigador ICREA responsable del grupo de ATLAS en el IFAE.

Referencia bibliográfica:

“Search for new phenomena in final states with an energetic jet and large missing transverse momentum in pp collisions at s√=8 TeV with the ATLAS detector”, ATLAS Collaboration. arXiv:1502.01518 [hep-ex]. (En repositorio arXiv para el European Physical Journal C)

(CPAN)

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