Los axiones y los fotones oscuros son dos de los tipos de partículas más prometedores para desvelar una nueva física. El campo escalar del axión explica la ausencia de un momento dipolar eléctrico para el neutrón, mientras que el fotón oscuro se asemeja a los fotones regulares responsables del electromagnetismo, pero es masivo y está mucho más débilmente acoplado.

En el pasado, Muchos cosmólogos que investigaban la dinámica del universo temprano propusieron teorías que se centraban en los axiones o en los fotones oscuros. Investigaciones que exploran las interacciones entre estos dos tipos de partículas en el universo temprano, por otra parte, sigue siendo escasa.

Teniendo esto en cuenta, Investigadores de la Universidad de Maryland y la Universidad Johns Hopkins llevaron a cabo recientemente un estudio destinado a investigar la interacción entre los axiones y los fotones oscuros en el universo temprano. Su papel publicado en Cartas de revisión física , examina una serie de ejemplos en los que un axión se mezcla con un fotón oscuro masivo dentro de un campo magnético de fondo.

"Si bien existe una gran cantidad de literatura sobre la evolución cosmológica de las teorías con solo una de esas dos partículas, estábamos interesados ​​en comprender cómo la interacción de ambas partículas en el universo temprano podría conducir a nuevas características y terminamos encontrando un comportamiento muy interesante asociado con su mezcla, "Gustavo Marques-Tavares, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Los nuevos efectos que observamos fueron drásticamente diferentes de otros tipos de mezcla más comúnmente considerados".

En primer lugar, Marques-Tavares y sus colegas se propusieron desarrollar una hipótesis física o intuición. Para hacer esto, resolvieron una versión simplificada de ecuaciones específicas que normalmente se aplican a problemas analíticos complejos.

Una vez que se les ocurrió una intuición física, utilizaron dos técnicas matemáticas conocidas como aproximación WKB y aproximación adiabática para lograr un conjunto de posibles soluciones al problema en el que se estaban enfocando. Luego, los investigadores compararon las soluciones aproximadas que identificaron con soluciones numéricas exactas y encontraron que las dos coincidían bastante bien.

En general, sugieren que la mezcla de derivada única entre campos bosónicos masivos podría provocar cambios sustanciales en la dinámica del campo. Más específicamente, podría retrasar la aparición de oscilaciones clásicas, disminuyendo y quizás incluso eliminando la fricción resultante de la expansión del Hubble, que es la velocidad a la que se expande el universo. Los investigadores describieron además el fenómeno que examinaron utilizando varios ejemplos, que destacó las posibilidades que surgen de la interacción entre axiones y fotones oscuros.

"De muchas maneras, Los campos de luz escalar y vectorial se comportan más como campos clásicos que como partículas cuánticas en su evolución cosmológica, ", Dijo Marques-Tavares." Descubrimos que nuestro método mejora en gran medida la amplitud del axión en comparación con una teoría que no incluye la mezcla con un fotón oscuro. Debido a que la densidad de energía almacenada en el campo crece con su amplitud, esto conduce a una mayor densidad de energía final para el axión, permitiéndole explicar toda la materia oscura del universo ".

El trabajo reciente de este equipo de investigadores presenta cálculos que resaltan los efectos de la mezcla de derivada única entre axiones y fotones oscuros. a diferencia de la mezcla en masa más típica o la mezcla cinética. Los resultados presentados por Marques-Tavares y sus colegas también destacan nuevas direcciones para futuras investigaciones destinadas a comprender mejor los efectos de la mezcla de un solo derivado entre partículas. particularmente en el universo temprano. En sus próximos estudios, los investigadores planean estudiar los fotones oscuros más de cerca, ya que son fáciles de observar y, por lo tanto, se han convertido en candidatos populares para la materia oscura.

"Los fotones oscuros son notoriamente difíciles de producir en el universo temprano, y por lo tanto, es un desafío para ellos explicar toda la materia oscura, "Dijo Marques-Tavares." El mismo mecanismo que nos permite mejorar el número de axiones también se puede utilizar para aumentar el número de fotones oscuros, permitiéndoles convertirse en candidatos a la materia oscura. Planeamos explorar este nuevo mecanismo que propusimos aplicado a los fotones oscuros ".

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