Consorcio Europeo de Física de Astropartículas : hoja de ruta 2018

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El Consorcio Europeo de Física de Astropartículas (APPEC), que agrupa a entidades financiadoras y organismos de investigación de 14 países involucrados en este campo de investigación a caballo entre la Astrofísica, la Física de Partículas y la Cosmología, presentó el pasado día 9 de enero en Bruselas su hoja de ruta para la próxima década.

La nueva Estrategia Europea de Física de Astropartículas (2017-2026) establece recomendaciones en áreas como la astronomía multimensajero, la física de neutrinos, el estudio de materia oscura y energía oscura y la evolución del Universo. Entre los experimentos que cuentan con el respaldo de APPEC están KM3NeT, que cuenta con una importante participación del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València), y NEXT, liderado por el IFIC en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc.

Esta es la segunda estrategia que pone en marcha APPEC tras la aprobada en 2011. En este tiempo se han producido importantes avances, como la detección por primera vez de neutrinos cósmicos de alta energía y la observación de ondas gravitacionales. Además, se han otorgado tres premios Nobel de Física en el área: Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt y Adam G. Riess por el descubrimiento de la expansión acelerada del Universo (2011); Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald por el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos (2015); y Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne por la detección de ondas gravitacionales (2017).

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La estrategia establece 21 recomendaciones en tres áreas fundamentales de investigación: el estudio simultáneo de ‘mensajeros cósmicos’ (rayos cósmicos cargados, radiación electromagnética, neutrinos y ondas gravitacionales) emitidos por las fuentes más energéticas del Universo (lo que se conoce como ‘enfoque multimensajero’); el estudio en profundidad de la partícula elemental más misteriosa y elusiva, el neutrino; y la exploración del ‘lado oscuro’ del Universo (compuesto por materia oscura y energía oscura), junto al estudio de la evolución del cosmos desde el Big Bang (cosmología y estudios del fondo cósmico de microondas).

El documento aconseja alinear la financiación europea con proyectos que aparecen en la lista de infraestructuras científicas prioritarias en el continente (ESFRI), como CTA, el observatorio de rayos gamma del Hemisferio norte que se construye en la isla de La Palma, y KM3NeT, que será el mayor telescopio de neutrinos de alta energía en esta parte del planeta. En este sentido, APPEC recomienda la construcción para 2020 de un telescopio de gran volumen con óptima resolución angular para la astronomía de neutrinos ultra-energéticos, además de un detector más pequeño optimizado para neutrinos de baja energía dedicado a estudiar la diferencia de masas entre los distintos tipos que existen.

Dentro del área dedicada a estudiar las propiedades de los neutrinos, como averiguar si es su propia antipartícula, la nueva estrategia apoya también la actual generación de experimentos que se desarrollan en Europa para buscar la prueba de esta característica, la desintegración doble beta sin neutrinos. Entre los experimentos europeos más competitivos a nivel mundial en este ámbito APPEC destaca a NEXT, experimento liderado por el IFIC que utiliza gas xenón en una cámara de alta presión cuya primera fase se encuentra actualmente funcionando en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. La estrategia considera que los próximos años son fundamentales para decidir la tecnología que se empleará en la siguiente generación de experimentos que resuelva la cuestión.

En cuanto a experimentos que estudian oscilaciones de neutrinos, la estrategia apoya la participación europea en los proyectos que marcarán el futuro del área, DUNE (EE.UU.), Hiper-Kamiokande (Japón) y JUNO (China). El IFIC participa en DUNE, tanto desde el punto de vista experimental como teórico. En este sentido, APPEC también respalda un ambicioso programa de investigación teórica en el ámbito de la física de astropartículas, donde el Instituto de Física Corpuscular tiene una amplia trayectoria. Asimismo, reconoce la estrecha colaboración necesaria con organizaciones como ESA, CERN o ESO.

Esta nueva Estrategia Europea de Física de Astropartículas (2017-2026) es el resultado de las contribuciones del Comité Científico Asesor de APPEC, de las agencias financiadoras y de la comunidad científica en una reunión celebrado en París en otoño de 2016 por la Asamblea General de APPEC. El documento se presentó oficialmente este martes 9 de enero en un acto en Bruselas con la presencia de Robert Jan Smits, director general de Investigación e Innovación del Consejo Europeo.

La materia oscura: experimentos de detección directa.

El trabajo olvidado de los ‘mineros’ de materia oscura.

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Las observaciones del universo revelan que alrededor de un 85% de su materia está constituida por una desconocida materia oscura, pero los científicos tadavía no han dado las partículas que la conforman. Entre los candidatos que encabezan la lista están las WIMP (Weakly Interacting Massive Particles, partículas masivas que interaccionan débilmente), que los científicos intentan encontrar mediante experimentos como SuperCDMS y LUX, en minas subterráneas de Minnesota y Dacota del Sur (EE UU) respectivamente.
Estos experimentos de detección directa tratan de ‘cazar’ esas partículas que se supone atraviesan la Tierra para confirmar su existencia. Para ello, se colocan cientos de kilos de materiales como el xenón o el germanio en las minas y se espera, en un silencio absoluto, a que una de estas elusivas partículas choque contra un núcleo atómico en el detector. Si eso ocurriera, el movimiento de retroceso del núcleo, debido al impacto de la materia oscura, sería registrado y se podría anunciar su descubrimiento.

Desafortunadamente, y a pesar de los esfuerzos que se están realizando, actualmente no se tiene constancia de que esto haya ocurrido. Aun así, el hecho de no haberla visto en los entornos experimentales creados por los investigadores ya permite extraer información muy valiosa acerca de cómo interacciona la materia oscura con la ordinaria, además de confirmar diversos límites en los datos.

En este contexto, un estudio llevado a cabo por los científicos Cristina Marcos, Miguel Peiró y Sandra Robles de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y el Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC) han demostrado que estos experimentos de detección directa son más importantes de lo que se creía, ya que aportan restricciones importantes para los modelos teóricos y en la busqueda de materia oscura. Para realizar su trabajo, el equipo ha utilizado simulaciones computacionales de los dos grandes experimentos SuperCDMS y LUX, ha tenido en cuenta diversas posibilidades de interacción de esta enigmática materia con los protones y neutrones, y han usado los últimos datos sobre las propiedades del halo de materia oscura de nuestra galaxia.

Los resultados, que publica el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, revelan informaciones concretas. Por ejemplo, si la materia oscura es ligera (por debajo de 50 veces la masa del protón), los detalles del halo de la Vía Láctea son determinantes a la hora de extraer conclusiones sobre la naturaleza de esta desconocida materia.

“Habitualmente, a la hora de analizar estos experimentos, los expertos suelen usar la llamada aproximación de la vaca esférica, es decir, utilizan una simplificación en el modelo de halo y, por tanto, no es correcto”, explican los investigadores.