Materia Oscura — Toma Uno — Claqueta — Axión


Los axiones no eran tan difíciles de encontrar

Los axiones no eran tan difíciles de encontrar

Hoy vamos a hablar sobre la posible detección de la materia oscura en forma de axiones.

Todo viene de la mano de este artículo:

Potential solar axion signatures in X-ray observations with the  XMM-Newton observatory 

que acaba de ser publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.  Donde dicen que tienen la primera prueba de la presencia de materia oscura en forma de axiones.

En esta entrada vamos a discutir brevemente sobre qué son esos axiones y por qué pueden ser candidatos a la materia oscura.  En otra entrada discutiremos el artículo en cuestion, pero me parece oportuno dar unas pinceladas sobre este tipo de partículas antes de entrar en mayores detalles.

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Interacción fuerte y simetría CP, un problema. ¡Qué fuerte!

Vamos a intentar introducir el problema CP fuerte relacionado con la interacción fuerte.  Este tema ya lo tratamos en la entrada: Cuando demasiada simetría es un problema.

Hablando en plata la simetría CP nos dice que si cambiamos todas las partículas/antipartículas del universo por sus correspondientes antipartículas/partículas no notaríamos nada, la física seguiría igual.   Eso indica que estamos trabajando con una simetría física.

La mayoría de nuestras teorías fundamentales de las partículas elementales verifican que son insensibles al cambio partícula-antipartícula — siempre que las cambiemos todas a la vez –.  Y eso supone un problema respecto a la interacción fuerte.  La estructura de la teoría que describe dicha interacción, la cromodinámica cuántica, es como sigue:

L = Términos insensibles al cambio partícula/antipartícula + \theta \times Términos sensibles al cambio partícula/antipartícula

La cuestión aquí es que queremos que la teoría sea insensible a dicho cambio partícula/antipartícula, sin embargo la propia teoría nos dice que hay términos que no cumplen eso y que están controlados por un parámetro \theta que puede tomar valores entre 0 y 2\pi.

No tenemos forma de determinar el valor de ese parámetro pero nos gustaría que fuera nulo.

Si no puedes con el problema inventa una partícula

El problema al que nos enfrentamos es el siguiente:

  1. Tenemos una teoría con un parámetro del que no podemos determinar el valor pero que todo sugiere que vale cero.
  2. Podemos fijar a mano el valor del parámetro, pero eso no es una opción viable, no está bonito fijar a nuestro albedrío valores del parámetro.
  3. Entonces tenemos que responder la siguiente pregunta, ¿Hay algún mecanismo que lleve este parámetro a su valor cero?

Una posible solución al problema CP fuerte la propusieron Peccei y Quinn, solución que luego fue ampliada por Weinberg y Wilzeck.   La historia es como sigue:

  • El parámetro \theta no es un parámetro numérico sino que es un campo físico.
  • Dicho campo tiene una energía tal que alcanza su mínimo cuando \theta\approx 0.  Por lo tanto, que \theta tenga un valor muy pequeño, casi cero o cero, es entendible porque es la configuración del mínimo de energía de este nuevo campo.
  • Como sabemos, en cuántica todo campo tiene asociadas partículas características del mismo.  En el caso del campo \theta estas partículas son los axiones.

Por lo tanto el esquema es el siguiente:

Los axiones son las partículas que de encontrarse demostrarían que \theta es un campo físico.  Este campo estaría en su mínimo de energía para un valor \theta\approx 0 y con ello se solucionaría el problema CP fuerte.

¿Cuáles son las propiedades de los axiones?

Este modelo identifica algunas propiedades de los axiones, a saber:

1.-  Son partículas neutras, sin carga eléctrica.  Por lo tanto no pueden interactuar electromagnéticamente.

2.-  Si de verdad son responsables de la subsanación del problema CP fuerte en la interacción débil, la teoría obliga a asumir que estas partículas tienen masa.  Por lo tanto, son sensibles a la gravedad en todo su registro y no se mueven a la velocidad de la luz.

3.-  Estas partículas no interaccionan de forma fuerte con los quarks, así que no se ven atrapadas en partículas hadrónicas que son conjuntos de quarks, como protones y neutrones.

4.-  La teoría de los axiones solo es compatible con el modelo estándar si estas partículas interactúan muy débilmente con el resto de partículas de dicho modelo.  De no ser así los efectos de los axiones deberían de haber sido detectados ya en los experimentos realizados hasta la fecha.

¿A qué suena esto?

Los axiones son partículas tienen la particularidad de que no interactúan prácticamente con nada ni nadie salvo con la gravedad.  Esto huele demasiado a la materia oscura, al menos en alguna de sus variantes.  Es por eso que hay propuestas de que la materia oscura está compuesta en gran parte por axiones.

Para repasar la materia oscura:  Arrojando luz sobre la materia oscura I y II.

Desgraciadamente hasta la fecha no se han detectado estas partículas en ningún experimento.  Por eso es interesante leer el artículo referenciado al principio de la entrada ya que podría ser la primera vez que hemos tenido constancia de axiones en física.

Creo que hasta aquí es suficiente para tener una idea aproximada de qué son los axiones y por qué se les considera candidatos a la materia oscura.  Realmente su descubrimiento sería fundamental para muchos campos de la física.  En la próxima entrada de este tema ampliaremos con más detalles la discusión acerca de estas partículas y analizaremos el artículo que dice que los han detectado.

Referencias

Si te ha interesado el tema y quieres profundizar aquí tienes una referencia que te ayudaran con la tarea:

Axions as dark matter  (2009)  Una buena introducción a los aspectos teóricos y experimentales de los axiones.

Axion dark matter searches (2014)  Artículo sobre las búsquedas experimentales y observacionales de este tipo de partículas.

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Nos seguimos leyendo…

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5 Respuestas a “Materia Oscura — Toma Uno — Claqueta — Axión

  1. Muy buena esta introducción a los axiones y la materia oscura que ya no serian los wimps.

  2. Pingback: Sobre los axiones que podría haber observado XMM-Newton de la ESA | Astrofísica | La Ciencia de la Mula Francis

  3. Pingback: Hoy está un poco más negro el Sol — ¿Estará escupiendo materia oscura? | Cuentos Cuánticos

  4. Una ronda de preguntas sobre axiones,

    ¿Es un Fermión o un Bosón?
    ¿Qué espín tienen?
    ¿En que condiciones aparecen y por qué en nuestros aceleradores de partículas no hemos observado perdida de energía?

    Y estas partículas o otras candidatas a ser materia oscura ¿por qué se quedan en las galaxias en vez de salir al espacio interestelar?

  5. Pingback: Materia Oscura -- Toma Uno -- Claqueta -- Axi&o...

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