Representación artística de una estrella gigante roja que emite axiones. Los acoplamientos axión-electrón del tamaño requerido para tener en cuenta el exceso de XENON1T inevitablemente convertirían a otras estrellas, como el gigante rojo de la foto, en brillantes 'faros axion', cambiando drásticamente su luminosidad y su evolución. Crédito: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, reflejar o emitir luz, y que, por tanto, no se puede detectar utilizando instrumentos convencionales para observar 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. Después, Los físicos teóricos han sugerido que los axiones constituyen 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 pocos 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, La Universidad de Barry 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 una manifestación de axiones solares. Los resultados de sus análisis y sus consideraciones, publicado en Cartas de revisión física , parecen descartar la posibilidad de que los axiones solares estén detrás de las observaciones inesperadas de la Colaboración XENON.
"Cuando se anunció el resultado de XENON1T, estábamos llevando a cabo un estudio exhaustivo de los efectos de la emisión de axiones de varios cuerpos astrofísicos, " vía correo electrónico, Luca Di Luzio, Marco Fedele, Maurizio Giannotti, Federico Mescia y Enrico Nardi, los investigadores que llevaron a cabo el estudio, le dijo a Phys.org, "Por lo tanto, estábamos en una situación óptima para darnos cuenta fácilmente de que las propiedades específicas del axión requeridas por la explicación de XENON1T estaban en fuerte conflicto con las observaciones de la evolución estelar".
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 anteriores. Su esperanza es que al descartar esta posibilidad, su trabajo animará 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 de XENON1T requiere que los acoplamientos de axiones a fotones y electrones se encuentren dentro de la región azul de este gráfico. 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. Crédito: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 para producir 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 intensos faros axion, 'perdiendo energía de sus núcleos internos a un ritmo tan grande que su evolución se vería alterada 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 toda una población estelar, las llamadas estrellas de Rama Horizontal (HB), estaría muy escasamente poblada. Si ese fuera el caso, no se deben encontrar estrellas HB en los cúmulos globulares cercanos, donde los investigadores han detectado varios de ellos.
"Nuestro estudio debe entenderse principalmente como una contribución para mantener los esfuerzos de la comunidad en el camino correcto, ", dijeron los investigadores." El entusiasmo inicial por un posible 'descubrimiento de axiones' podría haber desviado los esfuerzos experimentales y teóricos en una dirección que es, De hecho, un callejón sin salida."
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 cuando se trata de evaluar su viabilidad fenomenológica. En su papel 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.
El equipo ahora está realizando más estudios que exploran la física de axiones. Estos estudios se centran en una amplia gama de temas, incluyendo las consecuencias cosmológicas y astrofísicas de los axiones, la construcción de modelos de axiones y los aspectos fenomenológicos de las búsquedas de axiones llevadas a cabo en experimentos de laboratorio y en tierra.
"Cada miembro de nuestra colaboración tiene habilidades específicas en diferentes aspectos de la física de axiones, ", dijeron los investigadores." Como colaboración, Actualmente estamos llevando a cabo un análisis exhaustivo de un gran número de observables astrofísicos, algunos de los cuales exhiben intrigantes discrepancias entre las predicciones teóricas y las observaciones. Aunque cuando se toman por separado el nivel de importancia de cada anomalía es hasta ahora moderado, un análisis global podría revelar un patrón consistente, y podría apuntar hacia una explicación en términos de algún tipo específico de axión ".
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