Una de las ideas más importantes de la física es la posibilidad de que todas las fuerzas conocidas, partículas y las interacciones se pueden conectar en un marco. La teoría de cuerdas es posiblemente la propuesta más conocida de una "teoría del todo" que uniría nuestra comprensión del universo físico.

A pesar de tener muchas versiones diferentes de la teoría de cuerdas circulando por la comunidad física durante décadas, ha habido muy pocas pruebas experimentales. Astrónomos que utilizan el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, sin embargo, ahora hemos dado un importante paso adelante en este ámbito.

Buscando a través de cúmulos de galaxias, las estructuras más grandes del universo unidas por gravedad, los investigadores pudieron buscar una partícula específica que muchos modelos de la teoría de cuerdas predicen que debería existir. Si bien la no detección resultante no descarta por completo la teoría de cuerdas, da un golpe a ciertos modelos dentro de esa familia de ideas.

"Hasta hace poco, no tenía idea de cuánto aportan los astrónomos de rayos X en lo que respecta a la teoría de cuerdas, pero podríamos jugar un papel importante, "dijo Christopher Reynolds de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, quien dirigió el estudio. "Si estas partículas se detectan eventualmente, cambiaría la física para siempre".

La partícula que buscaban Reynolds y sus colegas se llama "axión". Estas partículas aún no detectadas deberían tener masas extraordinariamente bajas. Los científicos no conocen el rango de masa exacto, pero muchas teorías presentan masas de axiones que van desde aproximadamente una millonésima parte de la masa de un electrón hasta masa cero. Algunos científicos piensan que los axiones podrían explicar el misterio de la materia oscura, que representa la gran mayoría de la materia en el universo.

Una propiedad inusual de estas partículas de masa ultrabaja sería que a veces podrían convertirse en fotones (es decir, paquetes de luz) a medida que atraviesan campos magnéticos. Lo contrario también puede ser cierto:los fotones también pueden convertirse en axiones bajo ciertas condiciones. La frecuencia con la que se produce este cambio depende de la facilidad con la que realicen esta conversión, en otras palabras, sobre su "convertibilidad".

Algunos científicos han propuesto la existencia de una clase más amplia de partículas de masa ultrabaja con propiedades similares a los axiones. Los axiones tendrían un único valor de convertibilidad en cada masa, pero las "partículas similares a axiones" tendrían un rango de convertibilidad con la misma masa.

"Si bien puede parecer una posibilidad remota buscar partículas diminutas como axiones en estructuras gigantes como cúmulos de galaxias, en realidad, son lugares fantásticos para buscar ", dijo el coautor David Marsh de la Universidad de Estocolmo en Suecia." Los cúmulos de galaxias contienen campos magnéticos a distancias gigantes, y también suelen contener fuentes de rayos X brillantes. Juntas, estas propiedades aumentan las posibilidades de que la conversión de partículas similares a axiones sea detectable ".

Para buscar signos de conversión por partículas similares a axiones, El equipo de astrónomos examinó durante cinco días las observaciones de Chandra de rayos X del material que cae hacia el agujero negro supermasivo en el centro del cúmulo de galaxias Perseus. Estudiaron el espectro de Chandra, o la cantidad de emisión de rayos X observada a diferentes energías, de esta fuente. La observación prolongada y la fuente de rayos X brillante dieron un espectro con suficiente sensibilidad para haber mostrado las distorsiones que los científicos esperaban si estaban presentes partículas similares a axiones.

La falta de detección de tales distorsiones permitió a los investigadores descartar la presencia de la mayoría de los tipos de partículas similares a axiones en el rango de masa al que sus observaciones eran sensibles. por debajo de aproximadamente una millonésima parte de una billonésima parte de la masa de un electrón.

"Nuestra investigación no descarta la existencia de estas partículas, pero definitivamente no ayuda en su caso, ", dijo la coautora Helen Russell de la Universidad de Nottingham en el Reino Unido." Estas limitaciones profundizan en el rango de propiedades sugeridas por la teoría de cuerdas, y puede ayudar a los teóricos de cuerdas a eliminar sus teorías ".

El último resultado fue de tres a cuatro veces más sensible que la mejor búsqueda anterior de partículas similares a axiones, que provino de las observaciones de Chandra del agujero negro supermasivo en M87. Este estudio de Perseo también es unas cien veces más poderoso que las mediciones actuales que se pueden realizar en los laboratorios aquí en la Tierra para el rango de masas que han considerado.

Claramente, una posible interpretación de este trabajo es que las partículas similares a axiones no existen. Otra explicación es que las partículas tienen valores de convertibilidad incluso más bajos que el límite de detección de esta observación, y menor de lo que esperaban algunos físicos de partículas. También podrían tener masas más altas que las probadas con los datos de Chandra.

Un artículo que describe estos resultados apareció el 10 de febrero, Edición de 2020 de The Diario astrofísico .