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Búsqueda de alto riesgo en un cúmulo de galaxias para una partícula esquiva

Búsqueda de alto riesgo en un cúmulo de galaxias para una partícula esquiva

Una búsqueda en un cúmulo de galaxias distante de partículas fantasmales que puedan proporcionar evidencia de la teoría de cuerdas y ser un candidato para la misteriosa materia oscura no ha resultado nada, hasta ahora.

Sin embargo, lo que está en juego en esta búsqueda es enorme. "Si estas partículas eventualmente se detectan, cambiarían la física para siempre", dice Christopher Reynolds, profesor plumiano de astronomía y filosofía experimental en la Universidad de Cambridge, quien ha dirigido esta última búsqueda de "partículas similares a axiones" (ALP).

Los axiones son partículas hipotéticas. Aunque todavía no se han descubierto, los físicos predicen que deberían existir porque son el resultado de un fenómeno conocido como 'simetría CP', en el que tanto la carga como una propiedad cuántica de partículas conocidas como 'paridad' se conservan en las interacciones de partículas por medio de un campo cuántico no descubierto, y es este campo cuántico el que produciría axiones.

Los ALP no son axiones per se, y tendrían una masa mucho menor, pero la teoría de cuerdas, que postula que todas las partículas fundamentales en el universo están formadas por pequeñas cuerdas vibratorias, propone que los ALP podrían haberse formado como subproductos de otros campos cuánticos. , nuevamente actualmente hipotético, eso habría provocado que el Universo se recalentara después de que un breve estallido de inflación lo hubiera expandido inmediatamente después del Big Bang.

Proceso de conversiónEntonces, como dice Reynolds, descubrir ALP sería un gran avance. Con ese fin, Reynolds ha dirigido un equipo que ha utilizado el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA para buscar ALP en el corazón del cúmulo de galaxias Perseus, a 240 millones de años luz de distancia. En particular, el equipo analizó el entorno alrededor de la galaxia gigante Perseo A (NGC 1275) en el centro del cúmulo, con la esperanza de detectar la presencia de los esquivos ALP.

El truco para hacerlo es comprender que, periódicamente, los ALP en teoría pueden convertirse en fotones, y viceversa, a medida que pasan a través de un campo magnético. La probabilidad de que lo hagan depende de la intensidad del campo magnético y la longitud del camino que el ALP o el fotón atraviesan ese campo magnético. En el experimento CAST en el CERN en Suiza, los científicos están buscando axiones emitidos por el Sol usando un instrumento de diez metros de longitud, envuelto en un campo magnético de 10 teslas fuertes, lo que significa que el valor de conversión es de 100 Tm (10 x 10). Por otro lado, mientras que el campo magnético de Perseo A es mucho más débil, con un promedio de una billonésima parte de una tesla, el campo en sí mismo por el que podrían pasar los fotones y los ALP tiene medio millón de años luz de largo (5 x 1021 metros), lo que significa que con cinco billones Tm (10–9 multiplicado por 5 x 1021), el valor de conversión es mucho mayor que en CAST.

Usando Chandra, el equipo de Reynolds buscó cualquier anomalía en la salida de rayos X desde las proximidades de Perseo A que pudiera indicar que los fotones de rayos X son producidos por ALP o convertidos en ALP. No es la primera vez que se hace esto: las observaciones anteriores han buscado ALP que se producen alrededor de Messier 87 en el centro del cúmulo de galaxias Virgo, pero el estudio Perseus A fue cuatro veces más sensible que las observaciones M87.

"Nuestra técnica particular es sensible a los ALP de baja masa, desde aproximadamente 10-16 de una masa de electrones hasta completamente sin masa", dice Reynolds Astronomía ahora. La falta de una detección no significa que los ALP no existan, pero es un golpe para la teoría de cuerdas, ya que reduce el rango de masas potenciales que los ALP podrían tener y, por lo tanto, les deja menos lugares para esconderse, si es que existen.

La conexión de la materia oscura.Las partículas invisibles también son candidatas para la identidad de la materia oscura, y no es diferente con los ALP.

"La conexión de la materia oscura es sutil", dice Reynolds. "Los ALP pueden ser un componente importante, o todo, de la materia oscura, pero también es posible que existan ALP, pero no constituyen la materia oscura".

Algunas teorías recientes han especulado que la materia oscura podría estar compuesta de ALP con masas de solo 10–27 masas de electrones. (Para darle una idea de cuán pequeño es ese valor, considere que la masa de un electrón es solo 9 x 10–31 kilogramos.) Sin embargo, las observaciones de Chandra no son el golpe a estas teorías que podría esperar, según Reynolds

"Los modelos más naturales para producir suficientes ALP en el Universo temprano para ser la materia oscura de hoy les darían un acoplamiento tan pequeño a los fotones que nosotros (es decir, las observaciones de Chandra) no seríamos sensibles a ellos de todos modos", dice. Y, a pesar de las severas limitaciones que la búsqueda en Perseus A ahora ha puesto en las propiedades de los ALP, "el panorama de los posibles modelos es enorme y, por lo tanto, debemos seguir buscando con todas las herramientas que podamos para explorar el espacio de parámetros".

La investigación se publica en Revista Astrofísica

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