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ASTRONOMÍA. ¿Los axiones solares podrían explicar la existencia de materia oscura en el universo?

 

Representación artística de una estrella gigante roja que emite axiones. Los acoplamientos axión-electrón del tamaño requerido para dar cuenta del exceso de XENON1T inevitablemente convertirían a otras estrellas, como la Gigante Roja en la imagen, en brillantes "faros de axiones", cambiando drásticamente su luminosidad y su evolución. Fuente: Di Luzio et al

Durante varias décadas, físicos y astrofísicos han teorizado sobre la existencia de materia oscura en el universo. Este escurridizo tipo de materia estaría formado por partículas que no absorben, reflejan ni emiten luz y que, por tanto, no pueden detectarse con los instrumentos convencionales de observación de partículas.

Uno de los candidatos a materia oscura más prometedores es el axión. 

Los axiones son partículas hipotéticas que se introdujeron por primera vez para explicar observaciones inusuales relacionadas con interacciones nucleares fuertes. Posteriormente, los físicos teóricos han sugerido que los axiones forman partes de la masa del universo que aún no se tienen en cuenta y, por lo tanto, podrían ser esencialmente materia oscura. Desde entonces, innumerables equipos en todo el mundo han realizado búsquedas de axiones utilizando una variedad de detectores potentes y sofisticados.

Hace unos meses, un grupo de investigación internacional conocido como XENON Collaboration publicó nuevos datos recopilados por XENON1T, un detector sensible de interacciones entre la materia oscura y las partículas comunes. Estos datos contenían un sorprendente exceso de eventos que pueden ser un indicio de la existencia de partículas nunca antes observadas, como los axiones solares.

Investigadores de Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Universidad de Barcelona, ​​Barry University y Laboratori Nazionali di Frascati (INFN) examinaron recientemente los datos recopilados por el detector XENON1T con la esperanza de comprender mejor si el exceso detectado podría, de hecho, ser un manifestación de axiones solares. Los resultados de sus análisis y sus consideraciones, publicados en Physical Review Letters , parecen descartar la posibilidad de que los axiones solares estén detrás de las observaciones inesperadas del experimento XENON1T.

En su artículo reciente, Di Luzio y sus colegas muestran que la hipótesis de los axiones solares como el exceso de XENON1T no se sostiene, ya que choca con observaciones astrofísicas previas. Su esperanza es que al descartar esta posibilidad, su trabajo anime a otros equipos a identificar y explorar explicaciones alternativas. Según los investigadores, es mucho más probable que el exceso sea el resultado de un problema no abordado con la configuración experimental o una indicación de un fenómeno físico exótico diferente.


Una explicación de la señal anómala XENON1T requiere que los acoplamientos de axiones a fotones y electrones se encuentren dentro de la región azul de esta gráfica. Sin embargo, las observaciones astrofísicas implican que la región permitida para los mismos dos acoplamientos no puede extenderse mucho fuera de la región roja. La gran separación entre las dos regiones permitió a los investigadores concluir que los datos de XENON1T no pueden ser contabilizados por axiones solares. Fuente: Di Luzio et al.


"Los axiones solares no pueden explicar la observación anómala de XENON1T simplemente porque, en comparación con otros tipos de estrellas caracterizadas por densidades y temperaturas centrales mucho mayores, el sol no es muy eficiente en la producción de axiones", explicaron los investigadores

Si el exceso observado fuera interpretado como debido a axiones solares, otro tipo de estrellas producirían en exceso axiones, brillarían como 'faros de axiones' intensos, perdiendo energía de sus núcleos internos a un ritmo tan grande que su evolución sería alterado drásticamente. Esto estaría en serio conflicto con muchas observaciones astronómicas pasadas.

Un ejemplo de datos astronómicos que choca con la hipótesis de los axiones solares es la observación de poblaciones estelares. Para explicar el exceso de XENON1T, de hecho, los axiones solares necesitarían tener parámetros tan grandes que una población estelar completa, las llamadas estrellas de Rama Horizontal (HB), estaría muy escasamente poblada. Si ese fuera el caso, no se deberían encontrar estrellas HB en los cúmulos globulares cercanos, donde los investigadores han detectado varias de ellas.

Además de excluir la posibilidad de que los axiones solares expliquen el exceso de XENON1T, el trabajo reciente realizado por Di Luzio y sus colegas destaca la importancia de considerar cuidadosamente las implicaciones astrofísicas de los modelos de axiones al intentar evaluar su viabilidad fenomenológica.

En su artículo, los investigadores enfatizan la importancia de la relación entre axiones y astrofísica, ya que la primera evidencia de la existencia de axiones podría eventualmente provenir directamente de observaciones astrofísicas.

Fuente: Luca Di Luzio et al. Solar Axions Cannot Explain the XENON1T Excess, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.131804


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