Una colisión de dos estrellas colapsadas extraordinariamente densas en el universo distante está proporcionando pistas potenciales sobre el axión, un candidato a materia oscura propuesto por primera vez hace medio siglo.
Los restos estelares son estrellas de neutrones, los cadáveres que quedan después de que estrellas masivas colapsen sobre sí mismas. Estas estrellas muertas son tan densas que sus electrones colapsan sobre sus protones; de ahí el nombre de “estrella de neutrones”. Su extrema densidad también los convierte en un lugar para la física exótica: específicamente, han sido propuesto como fuente de axionesuna partícula hipotética que podría contribuir al contenido de materia oscura del universo.
Nueva investigación, publicado a principios de este mes en Physical Review Letters, impone restricciones sobre cómo las partículas similares a axiones podrían acoplarse con fotones, basándose en datos espectrales y temporales de una fusión de estrellas de neutrones a aproximadamente 130 millones de años luz de distancia.
Las partículas similares a axiones (o ALP) son una clase más general de candidatos hipotéticos a materia oscura que los axiones, y los científicos creen que su naturaleza podría revelarse estudiando fotones y limitando el rango de masas de las partículas. Las partículas similares a axiones producidas en la fusión de estrellas de neutrones escapan del remanente y se desintegran nuevamente en dos fotones, escribió el equipo en el artículo, produciendo una señal electromagnética detectable por los telescopios. Los datos se recopilaron a partir de observaciones de la colisión de 2017 tomadas por el Telescopio de Gran Área Fermi (Fermi-LAT).
“Para una fusión de estrellas de neutrones, existe una oportunidad única en la que se podría obtener la señal del fotón”, dijo Bhupal Dev, físico de la Universidad de Washington en St. Louis y autor principal del estudio, en una llamada telefónica con Gizmodo. “Podríamos utilizar este estudio de múltiples mensajes, estos datos, para investigar alguna física nueva más allá del Modelo Estándar”.
Materia oscura parece constituir el 27% del universopero interactúa tan débilmente con la materia ordinaria que los científicos sólo pueden detectarlo a través de sus efectos gravitacionales en lo que nosotros poder ver. Candidatos populares de materia oscura (es decir, los responsables teorizados de la aparente existencia de la materia oscura) son partículas masivas de interacción débil (WIMP), fotones ocultos (u oscuros), objetos masivos de halo compacto (MACHO) y, por supuesto, axiones.
El axión, que lleva el nombre de una marca de detergente para ropa, es una partícula hipotética que se propuso en la década de 1970 como una solución a la física. problema de CP fuerteque describe el hecho de que la adherencia de los quarks a las leyes de la física sigue siendo la misma, incluso cuando las partículas son reemplazadas por sus imágenes especulares.
Las estrellas de neutrones son algunos de los objetos más densos del universo, superadas sólo por los agujeros negros. A diferencia de los agujeros negros, la luz puede escapar de las estrellas de neutrones, haciéndolas observables en el espectro electromagnético.
Dev explica que los axiones podrían surgir de las fusiones de estrellas de neutrones de varias maneras, si los axiones realmente se acoplan a los fotones. A través de la coalescencia de fotones, los axiones surgirían de fotones que se unieran en el ambiente astrofísico intensamente caliente y se fusionaran. La otra forma en que podrían surgir los axiones es mediante el proceso de Primakoff, en el que un fotón interactúa con un baño de electrones, produciendo axiones.
El axión, como se propone, es tan pequeño que a veces se comportaría más como una onda que como una partícula, lo que significa que huye de la escena del crimen con relativa facilidad. Pero el protón es (relativamente) masivo, por lo que la partícula tarda un momento en emerger de este foco de interacción. Específicamente, se necesitan 1,7 segundos: la cantidad de retraso que los investigadores observaron entre la señal de la onda gravitacional de una fusión de estrellas de neutrones y la señal electromagnética de la misma.
“Recibimos muchos fotones del cielo. Entonces, ¿cómo sabemos realmente que la señal del fotón proviene del axión? Dijo Dev. “Esto proviene de una desintegración de la partícula, versus procesos astrofísicos donde los fotones desaparecen al dispersarse. Entonces hay una diferencia en el espectro. Podemos analizar tanto la información de tiempo como también podemos analizar las características espectrales. Y ahí es donde podemos separar este tipo de nuevas señales físicas de los procesos astrofísicos estándar”.
Los experimentos terrestres también están trabajando para reducir los rangos de masa potenciales del axión. LUX-Zeplin, XENÓN-1Ty el Experimento ALPS II, que comenzaron a operar en mayo de 2023, están diseñados para buscar axiones en las profundidades del subsuelo. Pero también hay otros proyectos, como ADMX y el Radio Pathfinder de Materia Oscura, trabajando para limitar el rango de masas de fotones ocultos (u oscuros), otra clase de candidatos a materia oscura. Las generaciones posteriores de Dark Matter Radio cazarán axiones.
La nueva investigación “ofrece algunas limitaciones nuevas sobre las partículas similares a axiones, porque hasta ahora no hemos visto ninguna señal de axiones”, dijo Dev. “También nos da la esperanza de que en el futuro, utilizando estas observaciones astrofísicas, podamos obtener más información sobre las partículas similares a los axiones. Y esto será complementario a las búsquedas de laboratorio que se están realizando..“
La búsqueda de axiones es muy parecida a utilizar un detector de metales en una playa muy, muy grande. La mayoría de las veces, los físicos y los astrónomos no detectan nada. Pero buscar en toda la gama de masas potenciales axiones y partículas similares a axiones es la mejor manera de localizarlos eventualmente.
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