Dark matter is an enigma, to say the least. This mysterious substance makes up 25 percent of all the mass and energy in the universe, yet we don’t know what it is. It does not emit or reflect light, so conventional telescopes cannot probe it. We don’t even know how—if at all—dark matter interacts with particles that are known, like protons, neutrons, and electrons.
Despite its frustrating invisibility, we know dark matter exists because scientists can observe the ways it affects matter that we can see. Dark matter is responsible for warping the orbits of galaxies. It lurks in seemingly empty space, bending light that passes through. It clumps in the tangled aftermaths of galaxy collisions, only noticeable thanks to observations of the visible matter around it. However, besides gravitational effects, we have no definitive signal of dark matter.
But there are theories that say neutrinos—shy, lightweight fundamental particles—may provide the key to understanding this shadowy substance. So a group of researchers—including some from the Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center (WIPAC), a research center of the University of Wisconsin–Madison—compiled and contextualized two decades of neutrino data looking for a connection to dark matter. They present a comprehensive set of limits on dark matter annihilation to neutrino pairs in a paper available on the preprint server arXiv.
The dark matter–neutrino connection has been compelling for the community of dark matter hunters lately. In some elegant models, it solves two major mysteries of physics in one go: explaining why neutrinos have mass and providing a coherent description of dark matter and its relation to the Standard Model (the model that explains, to the best of our knowledge, how the universe works). These elegant models—which remain speculative—could mean a revolution in fundamental physics, if true.
The possibility that neutrinos serve as the principle portal for dark matter interaction with Standard Model particles is highly motivated, and there is a trove of data available from current neutrino experiments that allows scientists to probe this connection in a very wide energy range.
According to paper co-author Carlos A. Argüelles of the Massachusetts Institute of Technology and WIPAC, there are some models that say the dark matter–neutrino connection is achieved by additional neutrinos, ones that are heavier than the three currently known neutrinos. “Depending on the theory, these heavy neutrinos can talk fluently with dark matter—or be dark matter themselves,” he says.
Many of these models imply that dark matter annihilates into neutrinos; in other words, when two dark matter particles collide, they produce a neutrino-antineutrino pair. If this is true, scientists would expect more neutrinos coming from places where there is a lot of dark matter, like the Galactic Center or the centers of other galaxies. So Argüelles and his collaborators calculated the neutrino fluxes coming from these areas of interest and compared their calculations to the available neutrino data. If there was an excess of neutrinos coming from these directions, it could point toward evidence of dark matter.
Alas, the researchers did not see an excess of neutrinos. But their analysis resulted in a set of limits on the dark matter annihilation into neutrinos that spans MeV (106 electronvolts) to ZeV (1021 electronvolts) dark matter masses. These limits are important because they reveal more of what dark matter is not; in other words, they help eliminate some masses that dark matter could be, which helps narrow the scope of future searches.
“MeV to ZeV is a range spanning 15 orders of magnitude. That’s remarkable,” says Ibrahim Safa of WIPAC, another author on this paper. “Only a short while ago, performing this analysis was not realistic. But now that we have all these data, we can begin to ask very interesting questions about the connection between dark matter and neutrinos.”
They also calculated projections for what to expect from the next generation of neutrino experiments, including DUNE, Hyper-Kamiokande, Super-Kamiokande, JUNO, CTA, the IceCube Upgrade, and IceCube–Gen2.
“We looked at every single neutrino experiment, ongoing or planned, and established their constraints on the neutrino yield,” says Argüelles. “This study is the broadest in terms of dark matter mass, and it’s the most up-to-date and complete in terms of experiments.”
“This analysis was only possible because of great innovations in experimental neutrino physics,” says Safa. “The last two decades have yielded a plethora of neutrino data. What we did was simply put all these data together in one context.”
“Dark matter–neutrino connections might be the key to find out how Standard Model particles interact with the dark sector,” says Ali Kheirandish, another author on the paper and former postdoc at WIPAC, currently at Pennsylvania State University. “We previously showed that high-energy cosmic neutrinos can be more powerful for studying dark matter–neutrino interactions than cosmological probes. Again, although dark matter annihilation to neutrinos is the most invisible channel, we have shown how neutrino experiments are successfully closing in on characterizing such portals to dark matter.”
Resolving the dark matter–neutrino connection will take even more data and more ambitious neutrino experiments. Fortunately, many new neutrino experiments are under construction or are being proposed right now.
Hopefully, someday soon, dark matter won’t be so dark.
+ info “Dark Matter Annihilation to Neutrinos: An Updated, Consistent & Compelling Compendium of Constraints,” C. A. Argüelles et al. arxiv.org/abs/1912.09486
Investigadores siguen acorralando naturaleza de la materia oscura
La materia oscura es, cuanto menos, un enigma. Esta misteriosa sustancia constituye aproximadamente el 25 por ciento de toda la masa y energía en el Universo, no obstante no sabemos lo que es. Cómo no emite ni refleja luz, los telescopios convencionales no pueden observarla. Es más, ni siquiera sabemos cómo — si es que lo hace — la materia oscura interactúa con las partículas conocidas, como protones, neutrones y electrones.
A pesar de su frustrante invisibilidad, sabemos que la materia oscura existe gracias a que los científicos pueden ver cómo afecta la materia que sí podemos observar como por ejemplo, las estrellas presentes en diferentes galaxias. La materia oscura es responsable de moldear las órbitas de las galaxias. Se esconde en el espacio aparentemente vacío curvando la trayectoria de la luz en su camino. Además, se acumula en las intrincadas secuelas que dejan las colisiones de galaxias, y sólo somos conscientes de su presencia debido a la materia visible que la rodea. Lamentablemente, más allá de estos efectos gravitacionales, no ha habido señal definitiva de la existencia de la materia oscura.
Pero existen teorías que indican que los neutrinos—ligeras y tímidas partículas fundamentales—pueden ser la clave para entender esta misteriosa substancia. Un grupo de investigaciones—entre los que se encuentran algunos del centro de astropartículas de IceCube en Wisconsin (WIPAC por sus siglas en inglés); un centro de investigación que es parte de la universidad de Wisconsin en Madison—han recopilado y contextualizado dos décadas de toma de datos sobre los neutrinos en búsqueda de una conexión con la materia oscura. Estos investigadores han presentado una lista exhaustiva de los límites de la aniquilación de la materia oscura a un par de neutrinos en un preprint que se puede leer en el servidor arXiv.
La conexión entre la materia oscura y los neutrinos ha sido de gran interés para la comunidad de cazadores de materia oscura. En algunos de estos elegantes modelos, está conexión resuelve simultáneamente dos de los mayores misterios de la física: explica por qué los neutrinos tienen masa y nos da una descripción coherente de la relación entre la materia oscura y el modelo estándar (el modelo que mejor explica, hasta dónde sabemos hoy en día, cómo funciona el Universo). Estas teorías—que viven aún en el reino de la especulación—revolucionarían la física fundamental de ser ciertas.
La posibilidad de que los neutrinos sean el principal portal entre la materia oscura y el resto del modelo estándar está muy bien motivada. Además, la vasta cantidad de datos disponibles permiten a los científicos buscar señales de esta conexión en un rango muy amplio de energías.
Uno de los autores, Carlos A. Argüelles del instituto tecnológico de Massachusetts (MIT por sus siglas en inglés) y WIPAC, explica que existen modelos en los que la conexión entre la materia oscura y los neutrinos se hace posible al añadir especies adicionales de neutrinos; neutrinos más pesados que los tres neutrinos conocidos. “Dependiendo del modelo, estos neutrinos pesados pueden hablar fácilmente con la materia oscura—o ser ellos mismos la materia oscura,” dice Argüelles.
En muchos de estos modelos la materia oscura se puede aniquilar a neutrinos; en otras palabras, cuando dos partículas de materia oscura colisionan, éstas producen un neutrino y un antineutrino. De ser esto cierto, los científicos esperan observar más neutrinos provenientes de lugares donde hay mayor cantidad de materia oscura. Por ello, Argüelles y sus colaboradores, calcularon el flujo de neutrinos proveniente de áreas de interés y compararon dichos cálculos con el número de neutrinos observados en distintos experimentos de neutrinos. De haber un exceso de neutrinos proveniente de alguna de estas direcciones, esto podría indicar una evidencia de la existencia de la materia oscura.
Desafortunadamente, los científicos no encontraron un exceso de neutrinos. No obstante, su análisis resultó en un conjunto de límites en la probabilidad de que la materia oscura se convierta en neutrinos, para masas de materia oscura desde MeV (106 electronvoltios) hasta ZeV(1021 electronvoltios). Estos límites son importantes puesto que revelan lo que la materia oscura no es; en otras palabras, ayudan a eliminar diferentes posibles teorías, ayudando a enfocar futuras búsquedas.
“El rango desde MeV a ZeV cubre quince órdenes de magnitud. Es impresionante,” dice Ibrahim Safa de WIPAC, otro autor del artículo. “Hace no mucho tiempo, desarrollar tal análisis no hubiera sido posible. Pero ahora, con los datos que tenemos, podemos empezar a hacernos preguntas muy interesantes sobre la conexión entre la materia oscura y los neutrinos.”
Los autores también calcularon proyecciones de lo que veremos en la siguiente generación de experimentos de neutrinos, incluyendo DUNE, Hyper-Kamiokande, Super-Kamiokande, JUNO, CTA, la nueva versión de IceCube y IceCube–Gen2.
“Hemos estudiado uno por uno los experimentos de neutrinos más relevantes, actuales o planeados, y hemos establecido un límite en la producción de neutrinos que provienen de la materia oscura”, dice Argüelles. “Este estudio es el más amplio en término de masas cubiertas y el más actualizado y completo en término de experimentos.”
“Este análisis es posible dadas las grandes innovaciones en la física experimental de neutrinos,” dice Safa. “Estas dos últimas décadas nos han proporcionado una plétora de datos sobre los neutrinos. Lo que hicimos fue simplemente juntarlo todo en el contexto de la materia oscura.”
“Las conexiones entre la materia oscura y los neutrinos pueden ser la llave para descubrir cómo el modelo estándar de partículas interactúa con el sector oscuro,” dice Ali Kheirandish, otro autor del artículo y ex-postdoc en WIPAC, actualmente en la universidad del estado de Pennsylvania. “Nosotros, anteriormente en otro artículo, demostramos que neutrinos astrofísicos de altas energías pueden ser instrumentos más poderosos para estudiar interacciones entre neutrinos y materia oscura que observables cosmológicos. De nuevo, a pesar de que la aniquilación de materia oscura a neutrinos es el canal más invisible, hemos demostrado cómo los experimentos de neutrinos están acercándose a comprender estos portales a la materia oscura con éxito.”
Hacer manifiesta la conexión entre la materia oscura y los neutrinos requerirá más datos y experimentos más ambiciosos. Afortunadamente, muchos nuevos experimentos de neutrinos están en construcción o están siendo propuestos.
Con suerte, pronto, la materia oscura ya no será tan oscura.