La elusiva partícula axión es muchas veces más liviana que un electrón, con propiedades que apenas dejan una impresión en la materia ordinaria. Como tal, la partícula fantasma es un contendiente principal como componente de la materia oscura, un tipo hipotético e invisiblede materia que se cree que constituye el 85 por ciento de la masa del universo.
Hasta ahora, los axiones han eludido la detección. Los físicos predicen que, si existen, deben producirse en entornos extremos, como los núcleos de estrellas en el precipicio de una supernova. Cuando estas estrellas arrojan axiones al universo, las partículas, al encontrar cualquier campo magnético circundante, deben transformarse brevemente en fotones y potencialmente revelarse.
Ahora, los físicos del MIT han buscado axiones en Betelgeuse, una estrella cercana que se espera que se queme pronto como supernova, al menos en escalas de tiempo astrofísicas. Dada su inminente desaparición, Betelgeuse debería ser una fábrica natural de axiones, en constante producciónlas partículas mientras la estrella se quema.
Sin embargo, cuando el equipo buscó firmas esperadas de axiones, en forma de fotones en la banda de rayos X, su búsqueda resultó vacía. Sus resultados descartan la existencia de axiones ultraligeros que pueden interactuar con fotones en un amplio rangoLos hallazgos establecen nuevas restricciones en las propiedades de la partícula que son tres veces más fuertes que cualquier experimento previo de detección de axiones en laboratorio.
"Lo que dicen nuestros resultados es que, si quieres buscar estas partículas realmente ligeras, que buscamos, no van a hablar mucho con los fotones", dice Kerstin Pérez, profesora asistente de física en el MIT ".Básicamente, estamos haciendo la vida de todos más difícil porque decimos, 'vas a tener que pensar en otra cosa que te dé una señal de axión' ".
Pérez y sus colegas han publicado sus resultados hoy en Cartas de revisión física . Sus coautores del MIT incluyen al autor principal Mengjiao Xiao, Brandon Roach y Melaina Nynka, junto con Maurizio Giannotti de la Universidad Barry, Oscar Straniero del Observatorio Astronómico de Abruzzo, Alessandro Mirizzi del Instituto Nacional de Física Nuclear en Italia, yBrian Grefenstette de Caltech.
A la caza del acoplamiento
Muchos de los experimentos actuales que buscan axiones están diseñados para buscarlos como un producto del efecto Primakoff, un proceso que describe un "acoplamiento" teórico entre axiones y fotones. Normalmente no se piensa que los axiones interactúen con fotones -de ahí su probabilidad de ser materia oscura. Sin embargo, el efecto Primakoff predice que, cuando los fotones están sujetos a campos magnéticos intensos, como en los núcleos estelares, podrían transformarse en axiones. Por lo tanto, el centro de muchas estrellas debería ser fábricas de axiones naturales.
Cuando una estrella explota en una supernova, debería agitar los axiones hacia el universo. Si las partículas invisibles se encuentran con un campo magnético, por ejemplo entre la estrella y la Tierra, deberían volver a convertirse en fotones, presumiblemente con alguna energía detectable.Los científicos están buscando axiones a través de este proceso, por ejemplo, de nuestro propio sol.
"Pero el sol también tiene destellos y emite rayos X todo el tiempo, y es difícil de entender", dice Pérez. Ella y sus colegas buscaron axiones de Betelgeuse, una estrella que normalmente no emite rayos X. La estrella se encuentra entre las más cercanas a la Tierra que se espera que exploten pronto.
"Betelgeuse está a una temperatura y una etapa de vida en la que no esperas ver rayos X saliendo de ella, a través de la astrofísica estelar estándar", explica Pérez. "Pero si los axiones existen y están saliendo, podríamos veruna firma de rayos X. Por eso esta estrella es un objeto agradable: si ves rayos X, es una señal contundente de que deben ser axiones ".
"Los datos son datos"
Los investigadores buscaron firmas de rayos X de axiones de Betelgeuse, utilizando datos tomados por NuSTAR, el telescopio espacial de la NASA que enfoca rayos X de alta energía de fuentes astrofísicas. El equipo obtuvo 50 kilosegundos de datos de NuSTAR durante el tiempoel telescopio se apuntó a Betelgeuse.
Luego, los investigadores modelaron un rango de emisiones de rayos X que podrían ver en Betelgeuse si la estrella arrojara axiones. Consideraron un rango de masas que podría ser un axión, así como un rango de probabilidades de que los axiones"acoplarse" y reconvertirse en un fotón, dependiendo de la fuerza del campo magnético entre la estrella y la Tierra.
"De todo ese modelado, obtienes un rango de cómo podría verse la señal de rayos X de los axiones", dice Pérez.
Cuando buscaron estas señales en los datos de NuSTAR, sin embargo, no encontraron nada por encima de su fondo esperado o fuera de cualquier fuente astrofísica ordinaria de rayos X.
"Es probable que Betelgeuse se encuentre en las últimas etapas de evolución y en ese caso debería tener una gran probabilidad de convertirse en axiones", dice Xiao. "Pero los datos son datos".
Dado el rango de condiciones que consideraron, el resultado nulo del equipo descarta un gran espacio de posibilidades y establece un límite superior que es tres veces más fuerte que los límites anteriores, a partir de búsquedas en laboratorio, de lo que debe ser un axión. En esencia, esto significa que si los axiones tienen una masa ultraligera, los resultados del equipo muestran que las partículas deben tener al menos tres veces menos probabilidades de acoplarse a los fotones y emitir rayos X detectables.
"Si los axiones tienen masas ultraligeras, definitivamente podemos decirle que su acoplamiento tiene que ser muy pequeño, de lo contrario lo habríamos visto", dice Pérez.
En última instancia, esto significa que los científicos pueden tener que buscar señales de axiones en otras bandas de energía menos detectables. Sin embargo, Pérez dice que la búsqueda de axiones de Betelgeuse no ha terminado.
"Lo que sería emocionante sería si vemos una supernova, que encendería una gran cantidad de axiones que no estarían en rayos X, sino en rayos gamma", dice Pérez. "Si una estrella explota y noSi vemos axiones, entonces tendremos restricciones muy estrictas en el acoplamiento de un axión a los fotones. Así que todos están cruzando los dedos para que Betelgeuse se apague ".
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la NASA.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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