Sabemos que la materia oscura existe y cómo influye en el universo, pero no sabemos lo que es. Los físicos de partículas apuestan por una nueva partícula y la buscan en las colisiones del LHC en el CERN.
Como en el caso de los neutrinos, se observará como energía perdida (o faltante) en ciertas colisiones. La señal es muy clara y fácil de identificar.
Tanto ATLAS como CMS han buscado estas partículas sin éxito. Los límites de exclusión que han obtenido hasta ahora son comparables (aunque algo peores) con los obtenidos por los experimentos de búsqueda directa. De hecho, mejorarán bastante con las colisiones a 13 TeV c.m. del año 2015.
La situación actual nos la cuentan en CMS Collaboration, “Search for dark matter, extra dimensions, and unparticles in monojet events in proton-proton collisions at sqrt(s) = 8 TeV,” arXiv:1408.3583 [hep-ex], y en ATLAS Collaboration, “Search for new particles in events with one lepton and missing transverse momentum in pp collisions at s√ = 8 TeV with the ATLAS detector,” arXiv:1407.7494 [hep-ex]. Un resumen del primer artículo en Tommaso Dorigo, “Tight Constraints On Dark Matter From CMS,” A Quantum Diaries Survivor, 18 Aug 2014.
Las colaboraciones CMS y ATLAS con colisiones protón contra protón a 8 TeV c.m. en el LHC pueden buscar partículas de materia oscura con una masa entre 1 GeV y 1000 GeV (1 TeV). Para ello asumen un modelo efectivo para la interacción entre estas posibles partículas aún no descubiertas y las ya conocidas.
Lo usual es buscar una partícula WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), una partícula neutra que interacciona débilmente con las partículas conocidas, por ejemplo, un neutralino, la partícula supersimétrica neutra de menor masa. Hay otras posibilidades, pero no todas ellas se pueden explorar en el LHC del CERN.
Esta figura muestra los límites de exclusión obtenidos por la colaboración CMS al 90% CL tanto para una interacción independiente del espín (figura izquierda) como para una dependiente del espín (figura derecha).
Esta figura muestra los límites de exclusión obtenidos por la colaboración ATLAS al 90% CL tanto para una interacción independiente del espín (figura izquierda) como para una dependiente del espín (figura derecha).
Por ahora no hay ningún indicio de la existencia de partículas de materia oscura en las colisiones de CMS y ATLAS (cuyos resultados respectivos son comparables entre sí). Los límites de exclusión mejorarán bastante cuando se incremente la energía del LHC a 13 TeV c.m. Sin embargo, el “milagro de las WIMP” permite ajustar de forma simultánea la sección eficaz (cross-section) de interacción entre la materia oscura y la ordinaria, y la densidad primordial de partículas de materia oscura para eludir (casi) cualquier límite de exclusión.
La materia oscura se puede “esconder” de formas muy sutiles en las colisiones del LHC. De hecho, excluir una partícula WIMP con cierta masa como partícula de materia oscura es excluir sólo un posible candidato más allá del modelo estándar. Hay muchos otros no afectados por dichos límites. Más aún, algunos físicos preferimos que la materia oscura tenga su explicación dentro del modelo estándar (por ejemplo, gracias a los axiones, predichos en 1977 por Peccei y Quinn para explicar la conservación de la simetría CP en la cromodinámica cuántica).
No se pueden buscar todos los candidatos posibles a partículas de materia oscura en el LHC. Pero aunque la búsqueda se centre en lo más fácil, las partículas WIMP, no se debe despreciar la importancia de obtener nuevos límites de exclusión conforme la energía de las colisiones vaya creciendo.
La sorpresa y su recompensa pueden aparecer en cualquier momento.
