La elusiva partícula del axión es muchas veces más ligera que un electrón, con propiedades que apenas dejan huella en la materia ordinaria. Como tal, la partícula fantasma es uno de los principales contendientes como componente de la materia oscura, un hipotético, tipo invisible de 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, deberían 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 una supernova, al menos en escalas de tiempo astrofísicas. Dada su inminente desaparición, Betelgeuse debería ser una fábrica natural de axiones, constantemente agitando las partículas a medida que la estrella se quema.

Sin embargo, cuando el equipo buscó las 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 una amplia gama de energías. Los hallazgos establecen nuevas restricciones en las propiedades de la partícula que son tres veces más fuertes que cualquier experimento previo de detección de axiones basado en laboratorio.

"Lo que dicen nuestros resultados es, si quieres buscar estas partículas realmente ligeras, que buscamos, no van a hablar mucho con los fotones, "dice Kerstin Perez, profesor 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 de Barry, Oscar Straniero del Observatorio Astronómico de Abruzzo, Alessandro Mirizzi del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia, y Brian 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 los fotones, de ahí su probabilidad de ser materia oscura. Sin embargo, el efecto Primakoff predice que, cuando los fotones están sujetos a intensos campos magnéticos, 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 batir los axiones en el universo. Si las partículas invisibles se topan 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 dificil 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, Pérez explica. "Pero si los axiones existen, y están saliendo, podríamos ver una firma de rayos X. Por eso esta estrella es un objeto agradable:si ves rayos X, es una señal contundente de que tienen que ser axiones ".

'Los datos son datos'

Los investigadores buscaron firmas de rayos X de axiones de Betelgeuse, utilizando datos tomados por NuSTAR, 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 tiempo que el telescopio estuvo enfocado en Betelgeuse.

Luego, los investigadores modelaron una gama de emisiones de rayos X que podrían ver desde Betelgeuse si la estrella arrojara axiones. Consideraron una gama de masas que podría ser un axión, así como un rango de probabilidades de que los axiones se "acopien" y se reconviertan 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 axiones de rayos X, "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 ".

Dada la variedad de condiciones que consideraron, el resultado nulo del equipo descarta un gran espacio de posibilidades y establece un límite superior tres veces más fuerte que los límites anteriores, de búsquedas en laboratorio, por lo que debe ser un axión. En esencia, esto significa que si los axiones son ultraligeros en masa, 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 debe ser muy pequeño, de lo contrario lo hubiéramos visto, "Dice Pérez.

Por último, esto significa que los científicos pueden tener que buscar otros bandas de energía menos detectables para las señales de axiones. Sin embargo, Pérez dice que la búsqueda de axiones de Betelgeuse no ha terminado.

"Lo que sería emocionante sería si viéramos una supernova, que encendería una gran cantidad de axiones que no estarían en rayos X, pero en rayos gamma, "Dice Pérez." Si una estrella explota y no vemos axiones, entonces obtendremos restricciones muy estrictas sobre el acoplamiento de un axión a los fotones. Así que todo el mundo está cruzando los dedos para que Betelgeuse se apague ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.