La búsqueda de materia oscura en el universo podría terminar mañana, con una supernova cercana y un poco de suerte.
La naturaleza de la materia oscura ha eludido a los astrónomos durante 90 años, debido a la constatación de que el 85% de la materia del universo no es visible a través de nuestros telescopios. El candidato más probable a materia oscura es la axina, una partícula ligera que investigadores de todo el mundo están tratando de encontrar desesperadamente.
Los astrofísicos de la Universidad de California en Berkeley sostienen ahora que el eje podría descubrirse a los pocos segundos de detectar rayos gamma procedentes de explosiones de supernovas cercanas. Los axones, si existen, se producirían en abundancia dentro de los primeros 10 segundos del colapso del núcleo de una estrella masiva en una estrella de neutrones, y esos axones escaparían y se transformarían en rayos gamma de alta energía en el intenso campo magnético de la estrella. .
Hoy en día, tales detecciones sólo son posibles si el único telescopio de rayos gamma en órbita, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, apunta a la supernova mientras explota. Dado el campo de visión del telescopio, la probabilidad es de una entre diez.
Sin embargo, una sola detección de rayos gamma caracterizaría la masa del eje, especialmente el llamado eje QCD, en un amplio rango de masas teóricas, rango de masa que ahora se califica experimentalmente en la Tierra. Sin embargo, la falta de detección eliminaría una amplia gama de masas posibles para el eje y haría irrelevantes la mayoría de las búsquedas actuales de materia oscura.
El problema es que, para que los rayos gamma sean lo suficientemente brillantes como para detectarlos, las supernovas tienen que estar cerca (dentro de nuestra Vía Láctea o una de sus galaxias satélite) y las estrellas cercanas explotan cada pocas décadas, en promedio. La última supernova cercana fue en 1987 en la Gran Nube de Magallanes, una de las lunas de la Vía Láctea. En ese momento, un telescopio de rayos gamma ahora desaparecido, la Misión Máxima Solar, apuntaba a la supernova, pero no era lo suficientemente sensible como para detectar la intensidad prevista de los rayos gamma, según el análisis del equipo de UC Berkeley.
“Si viéramos una supernova como la Supernova 1987A con un telescopio moderno de rayos gamma, podríamos detectar o descartar este eje QCD, este eje tan interesante, a lo largo de la mayor parte de su espacio de parámetros, esencialmente todo el espacio de parámetros. eso está en el laboratorio y muchos espacios de parámetros que también se pueden explorar en el laboratorio”, dijo Benjamin Safdie, profesor asociado de física de UC Berkeley y autor principal de un artículo que apareció en la revista. Publicado en línea el 19 de noviembre. carta de revisión física. “Y todo sucede en 10 segundos”.
Sin embargo, a los investigadores les preocupa que cuando estallen supernovas de larga duración en el Universo cercano, no estemos preparados para ver los rayos gamma producidos por el eje. Los científicos ahora están hablando con colegas que construyen telescopios de rayos gamma para evaluar la viabilidad de lanzar uno o una flota de dichos telescopios para cubrir el 100% del cielo las 24 horas del día, los 7 días de la semana y asegurarse de captar cualquier estallido de rayos gamma. Incluso propusieron un nombre para su estrella satélite de rayos gamma de cielo completo: la supernova o instrumento de axión galáctico para la galaxia.
“Creo que en este artículo todos hemos hecho hincapié en que la próxima supernova ocurrirá antes que el instrumento adecuado”, dijo Safdie. “Si mañana estallara una supernova y perdiéramos la oportunidad de detectar Axin, sería una verdadera lástima: no volverá hasta dentro de 50 años”.
Los coautores de Safdi son el estudiante graduado Eugene Park y los becarios postdoctorales Claudio Andrea Manzari e Inbar Savore. Los cuatro son miembros del Departamento de Física de UC Berkeley y del Grupo de Física Teórica del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
eje QCD
Las búsquedas de materia oscura se han centrado principalmente en los débiles y masivos objetos de halo compacto (MACHO) teóricamente dispersos por nuestra galaxia y el cosmos, pero cuando no se materializaron, los físicos comenzaron a buscar partículas elementales que teóricamente nos rodean y deberían detectarlas. estar en un laboratorio cerrado. Estas partículas masivas de interacción débil (WIMP) tampoco aparecieron. El mejor candidato actual para la materia oscura es el axión, una partícula que encaja perfectamente en el modelo estándar de la física y resuelve otros acertijos pendientes de la física de partículas. Los axiomas también quedan claramente fuera de la teoría de cuerdas, una suposición sobre la geometría subyacente del universo, y pueden combinar la gravedad, que explica las interacciones a escala cósmica, con la teoría de la mecánica cuántica, que describe el infinito.
“Parece casi imposible tener una teoría consistente de la gravedad combinada con la mecánica cuántica que no tenga partículas similares a los axones”, dijo Safdie.
El candidato más fuerte para un eje, llamado eje QCD (llamado así por la teoría dominante de la fuerza fuerte, la cromodinámica cuántica), teóricamente interactúa con toda la materia, aunque sea débilmente, a través de las cuatro fuerzas de la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza fuerte, que mantiene unidos a los átomos, y La fuerza débil, que explica la separación de los átomos. Una consecuencia es que, en un campo magnético fuerte, un eje debería convertirse ocasionalmente en una onda electromagnética o un fotón. El axón es claramente diferente de otra partícula ligera que interactúa débilmente, el neutrino, que interactúa sólo a través de la gravedad y la fuerza débil, e ignora por completo la fuerza electromagnética.
Los experimentos de laboratorio, como el Consorcio ALPHA (Haloscopio de plasma longitudinal Axion), DMradio y ABRACADABRA, en todos los cuales participan investigadores de UC Berkeley, emplean cavidades compactas que, como un diapasón, resuenan con fotones o campos electromagnéticos débiles y amplifican una fuerte señal magnética. campo Producido cuando un eje de baja masa se transforma en presencia.
Alternativamente, los astrofísicos han propuesto buscar ejes producidos dentro de estrellas de neutrones poco después del colapso del núcleo de supernovas como 1987A. Hasta ahora, sin embargo, se han centrado principalmente en detectar rayos gamma a partir de la lenta conversión de este eje en fotones en el campo magnético de la galaxia. Safdi y sus colegas se dieron cuenta de que este proceso no era muy eficiente para producir rayos gamma, o al menos no lo suficiente como para detectarlos desde la Tierra.
En cambio, exploraron la producción de rayos gamma por los ejes que crearon los ejes en el fuerte campo magnético alrededor de la estrella. Ese proceso, según han demostrado las simulaciones por supercomputadora, produce de manera muy eficiente una explosión de rayos gamma que depende de la masa del eje, y la explosión debe ocurrir simultáneamente con una explosión de neutrinos desde el interior de la estrella de neutrones caliente. Esa explosión de axones, sin embargo, dura sólo 10 segundos de formación de una estrella de neutrones, después de lo cual, la tasa de producción cae dramáticamente, incluso horas antes de que exploten las capas externas de la estrella.
“Esto realmente nos llevó a pensar en las estrellas de neutrones como los mejores objetivos para la investigación de axones como laboratorios de axones”, dijo Safdi. “Las estrellas de neutrones tienen muchas cosas en juego. Son objetos extremadamente calientes. También albergan campos magnéticos muy fuertes. Los campos magnéticos más fuertes de nuestro universo se encuentran alrededor de las estrellas de neutrones, como los imanes, que tienen campos magnéticos miles de millones de veces mayores que cualquier cosa que podamos imaginar. podemos crear en el laboratorio.
Hace dos años, Safdi y sus colegas fijaron un límite superior óptimo para la masa del eje QCD en aproximadamente 16 millones de electronvoltios, o aproximadamente 32 veces la masa del electrón. Esto se basó en la velocidad de enfriamiento de las estrellas de neutrones, que se enfriarían más rápido si se crearan ejes con neutrinos dentro de estos cuerpos compactos y calientes.
En el artículo actual, el equipo de la Universidad de California en Berkeley no sólo describe la producción de rayos gamma después del colapso del núcleo de una estrella de neutrones, sino que también utiliza la no detección de rayos gamma de la supernova 1987A para imponer las mejores restricciones a la masa de la eje. -Partículas similares, que se diferencian del eje QCD en que no interactúan a través de la fuerza fuerte.
Predicen que una detección de rayos gamma les permitirá detectar la masa del eje QCD si es superior a 50 microelectrones voltios (micro-eV o μeV), o aproximadamente 10 milmillonésimas de la masa de un electrón. Una sola detección podría reorientar los experimentos existentes para confirmar la masa del eje, dijo Safdi. Una flota de telescopios dedicados a rayos gamma es la mejor opción para detectar rayos gamma de supernovas cercanas; un golpe de suerte con Fermi sería aún mejor.
“El mejor escenario para el eje es que Fermi capture una supernova. Es muy poco probable”, dijo Safdi. “Pero si Fermi lo ve, podremos medir su masa. Podremos medir su fuerza de interacción. Podremos determinar todo lo que necesitamos saber sobre el axón, y estaremos increíblemente Confiamos en la señal porque no hay ninguna cuestión general de que esto pueda suceder”.
La investigación fue financiada con fondos del Departamento de Energía de EE. UU.