Los físicos pueden haber encontrado materia oscura: los rayos X que rodean a los "7 magníficos" pueden ser rastros de partículas teorizadas

Los investigadores dicen que pueden haber encontrado pruebas de axiones teorizados, y posiblemente materia oscura, alrededor de un grupo de estrellas de neutrones.

Un nuevo estudio, dirigido por un físico teórico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. sugiere que partículas nunca antes observadas llamadas axiones pueden ser la fuente de emisiones de rayos X de alta energía inexplicables que rodean a un grupo de estrellas de neutrones.

Una representación artística del telescopio espacial XMM-Newton (misión multi-espejo de rayos X). Un estudio de datos de archivo de los telescopios espaciales de rayos X XMM-Newton y Chandra encontró evidencia de altos niveles de emisión de rayos X de las cercanas estrellas de neutrones Magnificent Seven, que pueden surgir de las hipotéticas partículas conocidas como axiones. Crédito: D. Ducros; ESA / XMM-Newton, CC BY-SA 3.0 OIG

Teorizado por primera vez en la década de 1970 como parte de una solución a un problema fundamental de física de partículas, se espera que los axiones se produzcan en el núcleo de las estrellas y se conviertan en partículas de luz, llamadas fotones, en presencia de un campo magnético.

Los axiones también pueden formar materia oscura, la materia misteriosa que representa aproximadamente el 85 por ciento de la masa total del universo, pero hasta ahora solo hemos visto sus efectos gravitacionales en la materia ordinaria. Incluso si el exceso de rayos X resulta no ser axiones o materia oscura, aún podría revelar una nueva física.

Una colección de estrellas de neutrones, conocida como Magnificent 7, proporcionó un excelente banco de pruebas para la posible presencia de axiones, ya que estas estrellas poseen poderosos campos magnéticos, están relativamente cerca, dentro de cientos de años luz, y solo se esperaba que produjeran niveles bajos. -Rayos X energéticos y luz ultravioleta.

"Se sabe que son muy 'aburridos'", y en este caso es algo bueno, dijo Benjamin Safdi, miembro de división del grupo teórico de la División de Física del Laboratorio de Berkeley que dirigió un estudio, publicado el 12 de enero en la revista Physical Review Letters. , detallando la explicación axion del exceso.

Christopher Dessert, afiliado a la División de Física del Laboratorio de Berkeley, contribuyó en gran medida al estudio, que también contó con la participación de investigadores de UC Berkeley, la Universidad de Michigan, la Universidad de Princeton y la Universidad de Minnesota.

Si las estrellas de neutrones fueran del tipo conocido como púlsares, tendrían una superficie activa que emite radiación en diferentes longitudes de onda. Esta radiación aparecería a través del espectro electromagnético, anotó Safdi, y podría ahogar esta firma de rayos X que los investigadores habían encontrado, o produciría señales de radiofrecuencia. Pero los 7 magníficos no son púlsares y no se detectó ninguna señal de radio de ese tipo. Otras explicaciones astrofísicas comunes tampoco parecen estar a la altura de las observaciones, dijo Safdi.

Si el exceso de rayos X detectado alrededor del Magnificent 7 se genera a partir de un objeto u objetos que se esconden detrás de las estrellas de neutrones, eso probablemente habría aparecido en los conjuntos de datos que los investigadores están utilizando de dos satélites espaciales: el XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea. y los telescopios de rayos X Chandra de la NASA.

Safdi y sus colaboradores dicen que todavía es muy posible que surja una nueva explicación sin axiones para explicar el exceso de rayos X observado, aunque tienen la esperanza de que tal explicación se encuentre fuera del Modelo Estándar de la física de partículas, y ese nuevo terreno - y los experimentos basados ​​en el espacio confirmarán el origen de la señal de rayos X de alta energía.

"Estamos bastante seguros de que existe este exceso, y estamos muy seguros de que hay algo nuevo entre este exceso", dijo Safdi. “Si estuviéramos 100% seguros de que lo que estamos viendo es una nueva partícula, sería enorme. Eso sería revolucionario en física ". Incluso si el descubrimiento resulta no estar asociado con una nueva partícula o materia oscura, dijo: "Nos diría mucho más sobre nuestro universo y habría mucho que aprender".

Raymond Co, un investigador postdoctoral de la Universidad de Minnesota que colaboró ​​en el estudio, dijo: “No estamos afirmando que hayamos descubierto el axión todavía, pero estamos diciendo que los fotones de rayos X adicionales se pueden explicar por axiones. Es un descubrimiento emocionante del exceso de fotones de rayos X, y es una posibilidad emocionante que ya es consistente con nuestra interpretación de los axiones ".

Si existen axiones, se esperaría que se comportaran de manera muy similar a los neutrinos en una estrella, ya que ambos tendrían masas muy ligeras e interactuarían muy raramente y débilmente con otra materia. Podrían producirse en abundancia en el interior de las estrellas. Las partículas sin carga llamadas neutrones se mueven dentro de las estrellas de neutrones, interactuando ocasionalmente al dispersarse unas de otras y liberando un neutrino o posiblemente un axión. El proceso de emisión de neutrinos es la forma dominante en que las estrellas de neutrones se enfrían con el tiempo.

Como los neutrinos, los axiones podrían viajar fuera de la estrella. El campo magnético increíblemente fuerte que rodea a las 7 estrellas Magníficas, miles de millones de veces más fuerte que los campos magnéticos que se pueden producir en la Tierra, podría hacer que los axiones salientes se conviertan en luz.

Las estrellas de neutrones son objetos increíblemente exóticos, y Safdi señaló que en el último estudio se incluyó una gran cantidad de modelado, análisis de datos y trabajo teórico. Los investigadores han utilizado mucho un banco de supercomputadoras conocido como Lawrencium Cluster en Berkeley Lab en el último trabajo.

Parte de este trabajo se había realizado en la Universidad de Michigan, donde Safdi trabajó anteriormente. “Sin el trabajo de supercomputación de alto rendimiento en Michigan y Berkeley, nada de esto hubiera sido posible”, dijo.

“Hay mucho procesamiento de datos y análisis de datos relacionados con esto. Tienes que modelar el interior de una estrella de neutrones para predecir cuántos axiones deberían producirse dentro de esa estrella ".

Safdi señaló que como siguiente paso en esta investigación, las estrellas enanas blancas serían un lugar privilegiado para buscar axiones porque también tienen campos magnéticos muy fuertes y se espera que sean "entornos libres de rayos X".

“Esto comienza a ser bastante convincente de que esto es algo más allá del Modelo Estándar si también vemos un exceso de rayos X allí”, dijo.

Los investigadores también podrían contratar otro telescopio espacial de rayos X, llamado NuStar, para ayudar a resolver el misterio del exceso de rayos X.

Safdi dijo que también está entusiasmado con los experimentos terrestres como CAST en el CERN, que funciona como un telescopio solar para detectar axiones convertidos en rayos X por un imán fuerte, y ALPS II en Alemania, que usaría un poderoso campo magnético para hacen que los axiones se transformen en partículas de luz en un lado de una barrera cuando la luz láser incide en el otro lado de la barrera.

Los axiones han recibido más atención a medida que una sucesión de experimentos no ha logrado mostrar signos del WIMP (partícula masiva de interacción débil), otro candidato prometedor de materia oscura. Y la imagen de axion no es tan sencilla, en realidad podría ser un álbum familiar.

Podría haber cientos de partículas similares a axiones, o ALP, que componen la materia oscura, y la teoría de cuerdas, una teoría candidata para describir las fuerzas del universo, mantiene abierta la posible existencia de muchos tipos de ALP.

Referencia: “La emisión de axiones puede explicar un nuevo exceso de rayos X duros de estrellas de neutrones aisladas cercanas” por Malte Buschmann, Raymond T. Co, Christopher Dessert y Benjamin R. Safdi, 12 de enero de 2021, Physical Review Letters.

DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.021102

El estudio fue apoyado por el Programa de Investigación de Carrera Temprana de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Computación de investigación avanzada y la beca de posgrado Leinweber en la Universidad de Michigan, Ann Arbor; la Fundación Nacional de Ciencias; el Instituto de Física Teórica de Mainz (MITP) del Cluster of Excellence PRISMA +; el Instituto de Física de Astro y Partículas de Munich (MIAPP) del DFG Excellence Cluster Origins; y el departamento de Teoría del CERN.

• Publicado en SciTechDaily el 2 de mayo del 2021, enlace artículo.