Samuel C.C. Ting presenta en el CERN nuevos resultados del experimento AMS

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El pasado 18 de septiembre el Premio Nobel de Física, Profesor Samuel C.C. Ting,  Investigador Principal del experimento AMS (Espectrómetro Magnético Alpha) en la Estación Espacial Internacional (ISS), presentó en el Auditorio Principal del CERN los nuevos resultados obtenidos con este instrumento,  que fueron publicados el día siguiente en la prestigiosa revista Physical Review Letters. El próximo 24 de septiembre, en el marco de los “Coloquios Paco Ynduráin” que organiza la Universidad Autónoma de Madrid, el Profesor Ting impartirá una conferencia, On the Origin of Dark Matter. New Results from AMS on the International Space Station(Sobre el origen de la materia oscura. Nuevos resultados de AMS en la Estación Espacial Internacional), en la que presentará los nuevos resultados obtenidos por el experimento AMS y las expectativas de futuro.

   

AMS es un experimento patrocinado por el Departamento de Energía (DOE) de los Estados Unidos, aprobado en 1995 en virtud de un acuerdo de implementación entre el DOE y la NASA, en el que actualmente participan quince países, entre ellos España. El objetivo científico del proyecto AMS es el estudio detallado de la radiación cósmica, preferentemente la componente eléctricamente cargada,  en un entorno libre de las complicaciones debidas a la atmósfera. Las medidas de alta precisión y larga duración permitirán, entre otras cosas, profundizar en el conocimiento de la naturaleza de la materia oscura, avanzar en la búsqueda de reliquias de la antimateria cósmica primaria, que debió crearse en los primeros instantes del Universo, e identificar señales de posibles nuevas formas de materia (por ejemplo, strangelets).

  

En el seminario impartido por el Profesor Ting, se han presentado los resultados obtenidos a partir de cerca de 11 millones de electrones y positrones procedentes de una muestra de los primeros 41 mil millones de rayos cósmicos analizados hasta la fecha. El estudio de las propiedades de estas partículas, en particular la medida de la fracción del flujo de positrones en relación con el flujo combinado de electrones y positrones, podría contribuir a profundizar en el conocimiento de la naturaleza de la materia oscura, que representa cerca del 25% del total de materia-energía del Universo en estos momentos.

  

Las medidas realizadas, de muy alta precisión estadística y sistemática, ponen de manifiesto significativas desviaciones con respecto a las predicciones teóricas, que permiten determinar la dependencia con la energía de la fracción de positrones producidos en colisiones de rayos cósmicos con materia interestelar.  La fracción medida muestra una evolución claramente incompatible con los modelos teóricos al uso. Por otra parte, el comportamiento muy diferente de la dependencia con la energía de los flujos de positrones y electrones sugiere la existencia de nuevas fuentes (puntuales o difusas) que estén en el origen de las diferencias observadas. Una de esas fuentes podría corresponder a la materia oscura.

  

Los resultados presentados constituyen un primer e importante paso en la búsqueda e identificación de nuevas señales de materia oscura. Con el continuo acopio de datos en el instrumento AMS, se espera extender el intervalo de energías explorado (0,5-500 GeV),  medir los flujos de protones, antiprotones y otros núcleos atómicos y converger hacia una coherente explicación del conjunto de medidas. En principio está previsto que AMS opere en la ISS hasta la desorbitación de la plataforma espacial, cuya fecha no está definitivamente fijada por la NASA pero podría no ser antes del año 2025. De acuerdo con este tentativo calendario, AMS podría llegar a acumular más de 150 mil millones de rayos cósmicos, asegurando, gracias a la posibilidad de realizar conjuntos completos de medidas de muy alta precisión de la propiedades de partículas y núcleos cósmicos, un formidable potencial científico.

  

El estudio de los flujos de electrones, positrones, protones, antiprotones, etc., que podrían estar distorsionados por los procesos de aniquilación partícula – antipartícula de materia oscura es uno de los prometedores caminos posibles para abordar experimentalmente el problema de la materia oscura.  El estudio de los núcleos de retroceso producidos en procesos de colisión partícula de materia oscura – blanco de materia (sólido o  líquido), generalmente llevados a cabo en laboratorios subterráneos, es otra posible y perseguida vía de investigación. Finalmente, la posible fabricación directa de partículas de materia oscura en colisiones de alta energía producidas en aceleradores, es objeto de intensa actividad y, en particular, constituye una línea de investigación prioritaria en el programa del acelerador LHC (Large Hadron Collider,Gran Colisionador de Hadrones) del CERN, que iniciará en la próxima primavera una nueva fase de operación a mayor energía y más alta luminosidad.

  

Como quedó claro en la 37ª Edición de la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías (ICHEP 2014) recientemente celebrada en Valencia, el tema de la materia oscura es absolutamente prioritario en física de partículas y cosmología y, desde hace años, constituye una de las áreas de investigación estelares en estas disciplinas científicas.

  

AMS es un detector de física de partículas, construido con las tecnologías desarrolladas para experimentos en aceleradores de partículas, pero adaptadas a las exigentes condiciones del entorno espacial. Los diversos componentes se han diseñado y construido en los institutos de investigación y departamentos universitarios que participan en el proyecto, con importantes contribuciones de empresas del sector aeronáutico y espacial. El ensamblaje de AMS ha tenido lugar en el CERN, gracias a acuerdos de colaboración entre la colaboración AMS y el CERN, y las pruebas de validación y calificación espacial se han realizado en los laboratorios de los grupos de investigación que integran la colaboración, en el centro tecnológico ESTEC de la Agencia Europea del Espacio (ESA) en Holanda y en los haces de partículas del Super Sincrotrón de Protones (SPS) del CERN.

  

La participación española en el proyecto AMS se ha materializado a través del CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) y del IAC (Instituto de Astrofísica de Canarias). Esta participación está coordinada por un equipo científico-técnico del Departamento de Investigación Básica del CIEMAT, que ha liderado la construcción del subdetector RICH (Ring Imaging Cerenkov Detector), que permite medir la velocidad y carga eléctrica de los núcleos atómicos presentes en la radiación cósmica, y participado, en estrecha colaboración con empresas españolas del sector aeroespacial, en la fabricación de los sistemas magnéticos y térmicos.

  

El instrumento AMS fue enviado al espacio el 16 de mayo de 2011, a bordo del trasbordador espacial Endeavour de la NASA, en la penúltima misión de estos trasbordadores. El 19 de mayo, AMS se posicionó, como módulo externo, en la estructura principal de la Estación Espacial Internacional que orbita alrededor de la tierra a una altitud media de 350 km y con una velocidad próxima a los 30 000 km/hora. Desde el 19 de mayo, el instrumento AMS ha funcionado sin incidencias dignas de mención, de acuerdo con las especificaciones técnicas, y durante los 40 meses de operación ha registrado y acumulado información detallada sobre cerca de 54 mil millones de rayos cósmicos (muchos más que los medidos desde el descubrimiento de esta forma de radiación en 1911).

  

Los datos coleccionados por AMS en la ISS se envían a tierra gracias a la red de satélites y las instalaciones de la NASA en territorio estadounidense. Desde el Johnson Space Center (JSC) en Houston (JSC) los datos se envían al Centro de Operaciones y Control de AMS (POCC), que monitoriza  y asegura el correcto funcionamiento del instrumento y actúa en permanente contacto con los equipos de la NASA encargados de la operación de la ISS, y desde allí al centro de Operaciones Científicas de AMS (SOC), en dónde se procesan y distribuyen a los centros de investigación localizados en Alemania, China, España, Francia, Italia y Taiwán, para su posterior análisis y preparación de resultados. Los centros POCC y SOC están ubicados en el CERN, gracias a acuerdos de colaboración entre AMS y el laboratorio europeo.

  

En las fases de operación de AMS en la ISS y del procesado de los datos adquiridos, el grupo del CIEMAT ha desempeñado un papel muy relevante y visible, contribuyendo de manera notable a los resultados presentados por el Profesor Ting en el CERN el 18 de septiembre.