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Articulo de referencia

Axión

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Un axión ( / ˈ æ k s i ɒ n / ) es una partícula elemental hipotética originalmente teorizada en 1978 independientemente por Frank Wilczek [ 2 ] y Steven Weinberg [ 3 ] como el bosón de Goldstone de la teoría de Peccei-Quinn [ 4 ] [ 5 ] , que había sido propuesta en 1977 para resolver el problema CP fuerte en la cromodinámica cuántica (QCD). Si los axiones existen y tienen una masa baja dentro de un rango específico, son de interés como un posible componente de la materia oscura fría .

Historia

Problema de CP fuerte

Como demostró Gerard 't Hooft , [ 6 ] las interacciones fuertes del Modelo Estándar, QCD, poseen una estructura de vacío no trivial [ a ] que en principio permite la violación de las simetrías combinadas de conjugación de carga y paridad , conocidas colectivamente como CP. Junto con los efectos generados por las interacciones débiles , el término efectivo periódico de violación de CP fuerte, Θ , aparece como una entrada del Modelo Estándar ; su valor no es predicho por la teoría, sino que debe medirse. Sin embargo, las grandes interacciones de violación de CP originadas por QCD inducirían un gran momento dipolar eléctrico (EDM) para el neutrón . Las restricciones experimentales sobre el EDM implican que la violación de CP de QCD debe ser extremadamente pequeña y, por lo tanto, Θ debe ser extremadamente pequeño. Dado que Θ podría tener cualquier valor entre 0 y 2π , esto presenta un problema de "naturalidad" para el Modelo Estándar. ¿Por qué este parámetro debería estar tan cerca de cero? (O bien, ¿por qué la QCD debería preservar CP?) Esta pregunta constituye lo que se conoce como el problema CP fuerte . [ b ]

Predicción

En 1977, Roberto Peccei y Helen Quinn postularon una solución más elegante al problema CP fuerte: el mecanismo de Peccei-Quinn . La idea consiste en promover efectivamente Θ a un campo. Esto se logra añadiendo una nueva simetría global (denominada simetría de Peccei-Quinn (PQ) ) que se rompe espontáneamente. Esto da como resultado una nueva partícula, como demostraron independientemente Frank Wilczek [ 9 ] y Steven Weinberg [ 10 ] , que cumple la función de Θ , relajando naturalmente el parámetro de violación de CP a cero. Wilczek denominó a esta nueva partícula hipotética "axión", en honor a una marca de detergente para ropa, porque transporta la corriente "axial" que viola CP y que "resolvió" el problema [ 11 ] [ 12 ] , mientras que Weinberg la llamó "higglet". Posteriormente, Weinberg aceptó adoptar el nombre de Wilczek para la partícula. [ 12 ] Debido a que tiene una masa distinta de cero, el axión es un bosón pseudo-Nambu-Goldstone . [ 13 ]

materia oscura de axiones

La recta numérica se divide en las dos clasificaciones principales de hipótesis sobre partículas de materia oscura: materia oscura con comportamiento de partícula (por ejemplo, WIMP) y materia oscura con comportamiento de onda (por ejemplo, axiones). Se muestran la longitud de onda y la frecuencia de Compton de las partículas para su comparación, junto con algunos puntos de referencia importantes. Creado en 2024 por Ciaran O'Hare.

Los efectos de la QCD producen un potencial periódico efectivo en el que se mueve el campo del axión. [ 1 ] Al expandir el potencial alrededor de uno de sus mínimos, se encuentra que el producto de la masa del axión con la constante de desintegración del axión está determinado por la susceptibilidad topológica del vacío de la QCD. Un axión con una masa mucho menor queLa partícula de 60  keV/ c² tiene una vida útil prolongada y una interacción débil, lo que la convierte en una candidata perfecta para la materia oscura.

Las oscilaciones del campo axión alrededor del mínimo del potencial efectivo, el llamado mecanismo de desalineación, generan una población cosmológica de axiones fríos con una abundancia que depende de la masa del axión. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] Con una masa superior a 5 μeV/ c 2 ( 10 −11 veces la masa del electrón ), los axiones podrían explicar la materia oscura y, por lo tanto, ser tanto un candidato a materia oscura como una solución al problema CP fuerte. Si la inflación ocurre a una escala baja y dura lo suficiente, la masa del axión puede ser tan baja como 1 peV/ c 2 . [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]  

Existen dos escenarios distintos en los que el campo axión comienza su evolución, dependiendo de las dos condiciones siguientes:

En términos generales, se produce uno de los dos escenarios posibles descritos en las dos subsecciones siguientes:

Escenario preinflacionario

Si se cumplen tanto (a) como (b), la inflación cósmica selecciona una región del Universo en la que la ruptura espontánea de la simetría PQ conduce a un valor homogéneo del valor inicial del campo axión. En este escenario "preinflacionario", los defectos topológicos se eliminan por inflación y no contribuyen a la densidad de energía del axión. Sin embargo, otros límites derivados de los modos de isocurvatura restringen severamente este escenario, que requiere una escala de inflación de energía relativamente baja para ser viable. [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]

Escenario postinflacionario

Si se incumple al menos una de las condiciones (a) o (b), el campo axión adquiere valores distintos en regiones que inicialmente no tienen contacto causal , pero que hoy conforman el volumen delimitado por nuestro horizonte de Hubble . En este escenario, las fluctuaciones de isocurvatura en el campo PQ aleatorizan el campo axión, sin un valor preferido en el espectro de potencia.

El tratamiento adecuado en este escenario es resolver numéricamente la ecuación de movimiento del campo PQ en un Universo en expansión, para capturar todas las características que provienen del mecanismo de desalineación, incluyendo la contribución de defectos topológicos como cuerdas "axiónicas" y paredes de dominio . Una estimación de la masa del axión entre Borsanyi et al. (2016) informaron valores de 0,05 y 1,50 meV/ c² . [ 23 ] El resultado se calculó simulando la formación de axiones durante el período posterior a la inflación en una supercomputadora . [ 24 ]

Los avances logrados a finales de la década de 2010 en la determinación de la abundancia actual de un axión de tipo KSVZ [ c ] mediante simulaciones numéricas dieron como resultado valores entre 0,02 y 0,1  meV/ c² , [ 27 ] [ 28 ] aunque estos resultados han sido cuestionados por los detalles del espectro de potencia de los axiones emitidos por las cuerdas . [ 29 ]

Fenomenología del campo axónico

Búsquedas

Los modelos de axiones propuestos originalmente por Wilczek y Weinberg eligieron intensidades de acoplamiento de axiones tan fuertes que ya se habrían detectado en experimentos previos. Se pensaba que el mecanismo de Peccei-Quinn para resolver el problema CP fuerte requería acoplamientos tan grandes. Sin embargo, pronto se comprendió que los "axiones invisibles" con acoplamientos mucho menores también funcionan. En la literatura se conocen dos clases de estos modelos: KSVZ ( Kim - Shifman - Vainshtein - Zakharov ) [ 25 ] [ 26 ] y DFSZ ( Dine - Fischler - Srednicki - Zhitnitsky ) [ 30 ] [ 31 ] .

El axión acoplado muy débilmente también es muy ligero, porque los acoplamientos y la masa del axión son proporcionales. La satisfacción con los "axiones invisibles" cambió cuando se demostró que cualquier axión muy ligero se habría producido en exceso en el universo primitivo y, por lo tanto, debe excluirse. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]

Ecuaciones de Maxwell con modificaciones del axión

Pierre Sikivie calculó cómo se modifican las ecuaciones de Maxwell en presencia de un axión en 1983. [ 32 ] Demostró que estos axiones podían detectarse en la Tierra convirtiéndolos en fotones mediante un campo magnético intenso, lo que motivó varios experimentos. Por ejemplo, el Experimento de Materia Oscura de Axiones intenta convertir la materia oscura de axiones en fotones de microondas, el Telescopio Solar de Axiones del CERN intenta convertir los axiones producidos en el núcleo del Sol en rayos X, y otros experimentos buscan axiones producidos en luz láser. [ 33 ] A principios de la década de 2020, existían docenas de experimentos propuestos o en curso que buscaban materia oscura de axiones. [ 34 ]

Tratamiento de la constante de Planck reducidaℏ{\displaystyle \hbar }velocidad de la luzdo{\displaystyle c}y la permitividad del espacio libreε0{\displaystyle \varepsilon _{0}}Todas son equivalentes a 1, por lo que las ecuaciones electrodinámicas son:

Arriba, un punto sobre una variable denota su derivada temporal; el punto espaciado entre variables es el producto escalar vectorial ; el factorgramoaγγ{\displaystyle g_{a\gamma \gamma }}es la constante de acoplamiento axión-fotón.

Se han propuesto formas alternativas de estas ecuaciones, que implican firmas físicas completamente diferentes. Por ejemplo, Visinelli escribió un conjunto de ecuaciones que imponían simetría de dualidad, asumiendo la existencia de monopolos magnéticos . [ 35 ] Sin embargo, estas formulaciones alternativas tienen menos motivación teórica y, en muchos casos, ni siquiera pueden derivarse de una acción .

Efecto análogo para aislantes topológicos.

Un término análogo al que se agregaría a las ecuaciones de Maxwell para tener en cuenta los axiones [ 36 ] también aparece en modelos teóricos recientes (2008) para aislantes topológicos que dan una descripción efectiva de axiones de la electrodinámica de estos materiales. [ 37 ]

Este término conduce a varias propiedades predichas interesantes, incluido un efecto magnetoeléctrico cuantizado . [ 38 ] Se ha dado evidencia de este efecto en experimentos de espectroscopia de THz realizados en la Universidad Johns Hopkins en aislantes topológicos de película delgada en régimen cuántico desarrollados en la Universidad de Rutgers . [ 39 ]

En 2019, un equipo del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos publicó la detección de una fase aislante de axiones en un material semimetálico de Weyl . [ 40 ] En esta fase, el material posee una cuasipartícula similar a un axión —una excitación de electrones que se comportan conjuntamente como un axión—, y su descubrimiento demuestra la coherencia de la electrodinámica de axiones como descripción de la interacción de partículas similares a axiones con campos electromagnéticos. De este modo, el descubrimiento de cuasipartículas similares a axiones en aislantes de axiones motiva el uso de la electrodinámica de axiones para la búsqueda del axión mismo. [ 41 ]

Restricciones sobre el acoplamiento del axión al fotón [ 42 ]
Restricciones sobre el acoplamiento adimensional del axión a los electrones [ 42 ]

Experimentos

Aunque aún no se ha descubierto, el axión ha sido objeto de numerosos estudios durante más de 40  años, lo que ha permitido a los físicos comprender mejor los efectos que podría detectar. Actualmente se están llevando a cabo varias búsquedas experimentales de axiones; la mayoría aprovecha la leve interacción que se espera que tengan con los fotones en campos magnéticos intensos. Los axiones son también uno de los pocos candidatos plausibles que quedan para partículas de materia oscura, y podrían descubrirse en algunos experimentos sobre materia oscura.

Conversión directa en un campo magnético

Concepto de haloscopio de una cavidad resonante

Diversos experimentos buscan axiones astrofísicos mediante el efecto Primakoff , que convierte axiones en fotones y viceversa en campos electromagnéticos.

El experimento de materia oscura de axiones (ADMX) de la Universidad de Washington es un haloscopio que utiliza un campo magnético intenso para detectar la posible conversión débil de axiones a microondas . [ 43 ] ADMX busca en el halo de materia oscura galáctica [ 44 ] axiones resonantes con una cavidad de microondas fría. ADMX ha excluido modelos de axiones optimistas en el rango1,9–3,53  μeV/ c 2 . [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] De 2013 a 2018 se realizaron una serie de actualizaciones [ 48 ] y está tomando nuevos datos, incluyendo en4,9–6,2  μeV/ c 2 . En diciembre de 2021 excluyó el rango3,3–4,2  μeV/ c 2 para el modelo KSVZ. [ 49 ] [ 50 ]

Otros experimentos de este tipo incluyen DMRadio, [ 51 ] HAYSTAC, [ 52 ] CULTASK, [ 53 ] y ORGAN. [ 54 ] [ 55 ] HAYSTAC completó la primera ejecución de escaneo de un haloscopio por encima de 20  μeV/ c 2 a finales de la década de 2010. [ 52 ]

Principio de funcionamiento del helioscopio IAXO/BabyIAXO

Otro tipo de experimentos de conversión directa son los helioscopios , donde el imán apunta al Sol. Los axiones producidos en el Sol tendrían un rango de energía de 1 a 10  keV y, por lo tanto, pueden convertirse en rayos X de la misma energía en el imán. El experimento más avanzado actualmente es el Telescopio Solar de Axiones del CERN (CAST), que alcanzó el límite de acoplamiento axión-fotón de5,8 × 10 −11 GeV − 1  al 95% CL (parametroa{\displaystyle m_{a}}≲ 0,02 eV) en 2024. [ 56 ] El helioscopio de próxima generación es el Observatorio Internacional de Axiones (IAXO) , que actualmente se encuentra en desarrollo.

Luz polarizada en un campo magnético

El experimento italiano PVLAS busca cambios de polarización de la luz que se propaga en un campo magnético. El concepto fue propuesto por primera vez en 1986 por Luciano Maiani , Roberto Petronzio y Emilio Zavattini . [ 57 ] Una afirmación sobre la rotación [ 58 ] en 2006 fue descartada por una configuración mejorada. [ 59 ] Una búsqueda optimizada comenzó en 2014.

Luz que se filtra a través de las paredes

Otra técnica es la llamada "luz que atraviesa paredes", [ 60 ] donde la luz pasa a través de un campo magnético intenso para convertir fotones en axiones, que luego pasan a través del metal y son reconstituidos como fotones por otro campo magnético al otro lado de la barrera. Los experimentos de BFRS y un equipo dirigido por Rizzo descartaron una causa de axiones. [ 61 ] GammeV no vio eventos, informados en una Physics Review Letter de 2008. ALPS I realizó ejecuciones similares, [ 62 ] estableciendo nuevas restricciones en 2010; ALPS  II comenzó a recopilar datos en mayo de 2023. [ 63 ] [ 64 ] OSQAR no encontró señal, limitando el acoplamiento, [ 65 ] y continuará.

Búsquedas astrofísicas de axiones

Los bosones tipo axión podrían tener una señal en entornos astrofísicos. En particular, varios trabajos han propuesto partículas tipo axión como solución a la aparente transparencia del Universo a los fotones de TeV ( rayos gamma de muy alta energía ). [ 66 ] [ 67 ] También se ha demostrado que, en los grandes campos magnéticos que atraviesan las atmósferas de objetos astrofísicos compactos (por ejemplo, magnetares ), los fotones se convertirán de forma mucho más eficiente. Esto, a su vez, daría lugar a características distintivas similares a la absorción en los espectros detectables por los telescopios de principios del siglo XXI. [ 68 ] Un nuevo medio prometedor (2009) es la búsqueda de la refracción de cuasipartículas en sistemas con fuertes gradientes magnéticos. En particular, la refracción conducirá a la división del haz en las curvas de luz de radio de púlsares altamente magnetizados y permitirá sensibilidades mucho mayores que las actualmente alcanzables. [ 69 ] El Observatorio Internacional de Axiones (IAXO) es un helioscopio propuesto de cuarta generación . [ 70 ]

Los axiones pueden convertirse resonantemente en fotones en las magnetosferas de las estrellas de neutrones . [ 71 ] Los fotones emergentes se encuentran en el rango de frecuencia de GHz y pueden ser detectados potencialmente por detectores de radio, lo que conduce a una sonda sensible del espacio de parámetros del axión. Esta estrategia se ha utilizado para restringir el acoplamiento axión-fotón en el rango de masas.5–11  μeV/ c 2 , mediante el reanálisis de datos existentes del Telescopio Green Bank y el Radiotelescopio Effelsberg de 100  m . [ 72 ] Una estrategia novedosa y alternativa consiste en detectar la señal transitoria del encuentro entre una estrella de neutrones y un minicúmulo de axiones en la Vía Láctea . [ 73 ]

Los axiones pueden producirse en el núcleo del Sol cuando los rayos X se dispersan en campos eléctricos intensos. El telescopio solar CAST está en funcionamiento y ha establecido límites en el acoplamiento a fotones y electrones. Los axiones también pueden producirse dentro de las estrellas de neutrones por bremsstrahlung nucleón-nucleón . La posterior desintegración de los axiones en rayos gamma permite establecer restricciones sobre la masa del axión a partir de observaciones de estrellas de neutrones en rayos gamma utilizando el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi . A partir de un análisis de cuatro estrellas de neutrones, Berenji et al. (2016) obtuvieron un límite superior del intervalo de confianza del 95% para la masa del axión.0,079  eV/ c 2 . [ 74 ] En 2021 también se ha sugerido [ 75 ] [ 76 ] que un exceso informado [ 77 ] de emisión de rayos X duros de un sistema de estrellas de neutrones conocido como los siete magníficos podría explicarse como emisión de axiones.

En 2016, un equipo teórico del Instituto Tecnológico de Massachusetts ideó una posible forma de detectar axiones utilizando un campo magnético fuerte que no necesita ser más fuerte que el producido en una máquina de resonancia magnética . Mostraría una variación, una ligera oscilación, que está vinculada a la masa del axión. Los resultados del experimento subsiguiente, publicados en 2021, no reportaron evidencia de axiones en el rango de masa de4,1 × 10 −10  eV/ c 2 a8,27 × 10 −9  eV/ c 2 . [ 78 ]

En 2022, las mediciones de luz polarizada de Messier 87* realizadas por el Telescopio del Horizonte de Sucesos se utilizaron para restringir la masa del axión, asumiendo que hipotéticas nubes de axiones podrían formarse alrededor de un agujero negro, rechazando la aproximación10 −21  eV/ c 2 –10 −20  eV/ c 2 rango de valores de masa. [ 79 ] [ 80 ]

Búsquedas de efectos de resonancia

Los efectos de resonancia pueden ser evidentes en las uniones de Josephson [ 81 ] debido a un supuesto alto flujo de axiones del halo galáctico con masa de110  μeV/ c 2 y densidad0,05  (GeV/ c² )/cm³ [ 82 ] en comparación con la densidad de materia oscura implícita .0,3 ± 0,1  (GeV/ c 2 )/cm 3 , lo que indica que dichos axiones no tendrían suficiente masa para ser el único componente de la materia oscura. El experimento ORGAN planea realizar una prueba directa de este resultado mediante el método del haloscopio . [ 54 ] [ 55 ]

Búsquedas de retroceso de materia oscura

Los detectores criogénicos de materia oscura han buscado retrocesos de electrones que indicarían la presencia de axiones. CDMS publicó sus resultados en 2009 y EDELWEISS estableció límites de acoplamiento y masa en 2013. UORE y XMASS también establecieron límites para los axiones solares en 2013. XENON100 utilizó una ejecución de 225 días para establecer los mejores límites de acoplamiento hasta la fecha y excluir algunos parámetros. [ 83 ]

precesión del espín nuclear

Si bien el teorema de Schiff establece que un momento dipolar eléctrico nuclear (EDM) estático no produce EDM atómicos ni moleculares, [ 84 ] el axión induce un EDM nuclear oscilante que oscila a la frecuencia de Larmor . Si esta frecuencia de oscilación del EDM nuclear está en resonancia con un campo eléctrico externo, se produce una precesión en la rotación del espín nuclear. Esta precesión puede medirse mediante magnetometría de precesión y, de detectarse, constituiría evidencia de axiones. [ 85 ]

Un experimento que utiliza esta técnica es el Experimento de Precesión del Espín del Axión Cósmico (CASPEr). [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ]

Búsquedas en colisionadores de partículas

Los axiones también pueden producirse en colisionadores, en particular en colisiones electrón-positrón, así como en colisiones ultraperiféricas de iones pesados ​​en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, reinterpretando el proceso de dispersión luz por luz . Estas búsquedas son sensibles a masas de axiones bastante grandes entre100  MeV/ c² y cientos de GeV/ c² . Suponiendo un acoplamiento de axiones al bosón de Higgs, las búsquedas de desintegraciones anómalas del bosón de Higgs en dos axiones pueden proporcionar teóricamente límites aún más estrictos . [ 89 ]

Detecciones controvertidas

En 2014 se informó que la evidencia de axiones podría haberse detectado como una variación estacional en la emisión de rayos X observada, esperable por la conversión en el campo magnético terrestre de axiones provenientes del Sol. Al estudiar 15 años de datos del observatorio XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea , un grupo de investigación de la Universidad de Leicester notó una variación estacional para la cual no se encontró una explicación convencional. Una posible explicación para la variación, descrita como "plausible" por el autor principal del artículo, es la conocida variación estacional en la visibilidad para XMM-Newton de la magnetosfera orientada hacia el Sol, en la cual los rayos X podrían ser producidos por axiones del núcleo solar. [ 90 ] [ 91 ]

Esta interpretación de la variación estacional es cuestionada por dos investigadores italianos, quienes identifican fallas en los argumentos del grupo de Leicester que, según afirman, descartan una interpretación en términos de axiones. Lo más importante es que la dispersión angular, asumida por el grupo de Leicester como causada por gradientes del campo magnético durante la producción de fotones (necesaria para permitir que los rayos X entren al detector, que no puede apuntar directamente al sol), disiparía tanto el flujo que la probabilidad de detección sería insignificante. [ 92 ]

En 2013, Christian Beck sugirió que los axiones podrían ser detectables en uniones Josephson ; y en 2014, argumentó que una señal, consistente con una masa ≈  110  μeV, se había observado de hecho en varios experimentos preexistentes. [ 93 ]

En 2020, el experimento XENON1T del Laboratorio Nacional de Gran Sasso en Italia informó un resultado que sugería el descubrimiento de axiones solares. [ 94 ] Los resultados no fueron significativos al nivel de 5 sigma requerido para la confirmación, y otras explicaciones de los datos eran posibles, aunque menos probables. [ 95 ] Nuevas observaciones realizadas en julio de 2022 después de la actualización del observatorio a XENONnT descartaron el exceso, poniendo fin así a la posibilidad de un nuevo descubrimiento de partículas. [ 96 ] [ 97 ]

Propiedades

Predicciones

Una teoría de los axiones relevante para la cosmología había predicho que no tendrían carga eléctrica , una masa muy pequeña en el rango de1  μeV/ c 2 a1  eV/ c² , [ 1 ] y secciones transversales de interacción muy bajas para fuerzas fuertes y débiles . Debido a sus propiedades, los axiones interactuarían mínimamente con la materia ordinaria. Los axiones también se transformarían en fotones y viceversa en campos magnéticos.

Implicaciones cosmológicas

Las propiedades del axión, como su masa, constante de desintegración y abundancia, tienen implicaciones para la cosmología. [ 1 ]

La teoría de la inflación sugiere que, de existir, los axiones se crearían abundantemente durante el Big Bang . [ 98 ] Debido a un acoplamiento único con el campo de instantones del universo primordial (el " mecanismo de desalineación "), se crea una fricción dinámica efectiva durante la adquisición de masa, tras la inflación cósmica . Esto priva a todos esos axiones primordiales de su energía cinética.

Un axión ultraligero (ULA) con m ~10 −22  eV/ c 2 es un tipo de materia oscura de campo escalar que parece resolver los problemas de pequeña escala de la CDM. Una única ULA con una constante de desintegración a escala GUT proporciona la densidad reliquia correcta sin necesidad de ajustes finos. [ 99 ]

Los axiones también habrían dejado de interactuar con la materia ordinaria en un momento distinto tras el Big Bang que otras partículas oscuras más masivas. Los efectos persistentes de esta diferencia podrían calcularse y observarse astronómicamente.

Si los axiones tienen masa baja, lo que impide otros modos de desintegración (ya que no hay partículas más ligeras en las que desintegrarse), la baja constante de acoplamiento predice que el axión no se dispersa fuera de su estado a pesar de su pequeña masa, de modo que el universo estaría lleno de un condensado de Bose-Einstein muy frío de axiones primordiales. Por lo tanto, los axiones podrían explicar plausiblemente el problema de la materia oscura de la cosmología física . [ 100 ] Se están realizando estudios observacionales, pero aún no son suficientemente sensibles para sondear las regiones de masa si son la solución al problema de la materia oscura, con la región difusa de materia oscura comenzando a ser sondeada a través de la superradiancia . [ 101 ] Los axiones de alta masa del tipo buscado por Jain y Singh (2007) [ 102 ] no persistirían en el universo moderno. Además, si los axiones existen, las dispersiones con otras partículas en el baño térmico del universo temprano producen inevitablemente una población de axiones calientes. [ 103 ]

Los axiones de baja masa podrían tener una estructura adicional a escala galáctica. Si caen continuamente en galaxias desde el medio intergaláctico, serían más densos en anillos " cáusticos ", al igual que el chorro de agua en una fuente de flujo continuo es más grueso en su punto máximo. [ 104 ] Los efectos gravitacionales de estos anillos sobre la estructura y rotación galáctica podrían entonces ser observables. [ 105 ] [ 106 ] Otros candidatos teóricos de materia oscura fría, como WIMP y MACHO , también podrían formar tales anillos, pero debido a que estos candidatos son fermiónicos y por lo tanto experimentan fricción o dispersión entre sí, los anillos estarían menos definidos.

João G. Rosa y Thomas W. Kephart sugirieron que las nubes de axiones formadas alrededor de agujeros negros primordiales inestables podrían iniciar una cadena de reacciones que irradian ondas electromagnéticas, permitiendo su detección. Al ajustar la masa de los axiones para explicar la materia oscura, el par descubrió que el valor también explicaría la luminosidad y la longitud de onda de las ráfagas de radio rápidas , siendo un posible origen para ambos fenómenos. [ 107 ] En 2022 se utilizó una hipótesis similar para restringir la masa del axión a partir de datos de M87*.

En 2020, se propuso que el campo axión podría haber influido en la evolución del Universo temprano al crear un mayor desequilibrio entre las cantidades de materia y antimateria, lo que posiblemente resuelve el problema de la asimetría bariónica . [ 108 ]

Supersimetría

En las teorías supersimétricas, el axión tiene un supercompañero escalar y otro fermiónico . El supercompañero fermiónico del axión se llama axino , y el supercompañero escalar se llama saxión o dilatón . Todos ellos están agrupados en un supercampo quiral .

Se ha predicho que el axino es la partícula supersimétrica más ligera en dicho modelo. [ 109 ] En parte debido a esta propiedad, también se considera un candidato para la materia oscura. [ 110 ]

Véase también

Notas a pie de página

  1. ↑ Esta estructura de vacío no trivial resuelve un problema asociado a la simetría axial U(1) de la QCD. [ 7 ] [ 8 ]
  2. ↑ Existe una solución sencilla al problema de la violación de CP fuerte : si al menos uno de los quarks del Modelo Estándar carece de masa, dicha violación se vuelve inobservable. Sin embargo, la evidencia empírica sugiere firmemente que ninguno de los quarks carece de masa. En consecuencia, los teóricos de partículas buscaron otras soluciones al problema de la conservación de CP inexplicable.
  3. ↑ Actualmente, la literatura física analiza los mecanismos de "axión invisible" en dos formas, una de ellas se denomina KSVZ por Kim – Shifman – Vainshtein – Zakharov . [ 25 ] [ 26 ] Véase la discusión en la sección "Búsquedas", más abajo .

Referencias

  1. 1 2 3 4 Peccei, RD (2008). "El problema CP fuerte y los axiones". En Kuster, Markus; Raffelt, Georg; Beltrán, Berta (eds.). Axiones: Teoría, cosmología y búsquedas experimentales . Lecture Notes in Physics. Vol.  741. pp. 3–17 . arXiv : hep-ph/0607268 . doi : 10.1007/978-3-540-73518-2_1 . ISBN  978-3-540-73517-5. S2CID 119482294 . 
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  3. ↑ Weinberg, Steven (1978-01-23). ​​"¿Un nuevo bosón ligero?" . Physical Review Letters . 40 (4): 223– 226. doi : 10.1103/PhysRevLett.40.223 .
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