física de partículas en el cielo.

En el cosmos, las partículas más débilmente interactuantes pueden tener la mayor presencia. Se estima que las partículas de materia oscura constituyen más del 80 % de la materia en el Universo, pero son tan débilmente interactuantes con la otra materia que los físicos no han sido capaces de averiguar lo que son. Del mismo modo, los neutrinos son las más difíciles de detectar entre las partículas conocidas, sin embargo, se sabe que dominan las últimas etapas de la evolución de una estrella y es probable que guien la explosión supernova que sigue al colapso del núcleo de una estrella masiva moribunda. Dentro de este paisaje de partículas está el axion, un hipotético bosón de espín cero con masa muy pequeña que es considerado un fuerte candidato para la materia oscura [ ver aquí,aquí,aquí y aquí]. Nunca se han detectado axiones, pero la teoría que los describe predice que se crean cuando los fotones interactúan con los campos magnéticos o cargas eléctricas -un estado abrumadoramente encontrado en las estrellas. Dado que este proceso podría drenar la energía de las estrellas, los astrofísicos pueden observar la evolución de las estrellas para colocar límites en la tasa de producción de axiones [ver aquí]. En la revista Physical Review Letters, Alexander Friedland, del Laboratorio Nacional de Los Álamos,en Nuevo México, y sus colegas usan este argumento para dar el límite superior más fuerte hasta la fecha sobre la intensidad de la interacción entre los axiones y los campos electromagnéticos [ver aquí]. Sus resultados proporcionan retroalimentación en modelos teóricos de axiones y se pueden utilizar para evaluar la sensibilidad de los detectores de axiones. En otro nivel, el trabajo pone de relieve el papel de las estrellas como laboratorios de física de partículas, complementarios a los de la Tierra. Al comienzo de su vida, una estrella como nuestro Sol quema hidrógeno. Cuanto más masiva es una estrella, más brillante es y más caliente es su superficie .Esta relación es capturada en el (HR) diagrama de Hertzsprung-Russell (véase la fig. 1), que traza el brillo de estrellas conocidas en el eje vertical y sus temperaturas de la superficie (o color) en el eje horizontal.
fig 1 ,la imágen muestra el diagrama Hertzsprung-Russell el cual ordena la población estelar de acuerdo a la brillantes (eje vertical) y la temperatura superficial o color (eje horizontal).Diferentes tipos de estrellas pueblan las regiones características en este diagrama.La secuencia principal consiste de estrellas que queman hidrógeno parecidas a nuestro sol cuya brillantes y color depende de la masa estelar.Las gigantes rojas son estrellas en etapas avanzadas las cuales queman helio y que al final de esta fase ejecutan un bien definido (bucle azul) de breve contracción y reexpanción(lineas blancas con flechas en la imágen)de acuerdo con un nuevo estudio de Alexander Friedland y colegas este comportamiento sería suprimido por excesiva emisión de los hipotéticos axiones.Crédito.ESO; White line overlay, APS/Alan Stonebraker.


En este diagrama las estrellas que queman hidrógeno se hallan a lo largo de la secuencia principal" después que el hidrógeno es usado ,toma lugar la quema de helio en el centro, el hidrógeno se quema en una cubierta, y la envoltura estelar se expande: la estrella termina en la región-de gigante roja del diagrama con una temperatura de superficie más fría (color rojo). Normalmente, es en este punto que una estrella masiva comenzaría su "bucle azul," una corta fase de contracción y re-expansión al final de la combustión del helio que lleva a la estrella horizontalmente a través del diagrama HR hacia una superficie más caliente (de color azul ) y de regreso (fig. 1). Basado en un análisis numérico de estas secuencias de evolución, el equipo de Friedland. muestra que, si el acoplamiento de fotones y axiones era lo suficientemente fuerte, las pérdidas excesivas de axiones podrían prevenir a las estrellas en el intervalo entre 8 y 12 masas solares de seguir esta trayectoria, lo que estaría en contradicción con una serie de observaciones astronómicas. Los autores muestran que la existencia de la fase de bucle azul pone un límite severo en la intensidad del acoplamiento de axiones y fotones. Genéricamente, los axiones deberían decaer en dos fotones, aunque a un ritmo muy bajo. La misma interacción también significa que un axion podría convertirse en un fotón (o al revés) en presencia de campos magnéticos o eléctricos-lo último en el papel de uno de los dos fotones de desintegración. Como resultado, los fotones térmicos en el plasma caliente dentro de una estrella podrían convertir a los axiones en los fluctuantes campos eléctricos producidos por partículas cargadas. Este es el proceso que produce los axiones en las estrellas y drena la energía de manera eficiente, siempre y cuando el acoplamiento axion-fotón sea lo suficientemente fuerte .El trabajo de Friedland se complementa con otras pruebas de la hipótesis de que los axiones son abundantemente producidos en las estrellas. Por ejemplo, después de décadas de observación exitosa de neutrinos solares, los investigadores también han tratado de detectar axiones directamente del sol. La búsqueda de axiones solares comenzó en el Laboratorio Nacional Brookhaven, en los EE.UU. y la Universidad de Tokio, pero el más grande "helioscopio de axiones" es el Axion Telescopio Solar (CAST) del CERN ,que ha tomado datos desde el año 2003 [ver aquí]. CAST está constituido por uno de los imanes superconductores prototipo dados de baja del Gran Colisionador de Hadrones el cual está orientado hacia el Sol y diseñado para buscar los rayos X que se derivarían de axiones solares convirtiéndose en fotones cuando viajan 10 metros en las perforaciones del imán. Esta conversión revertiría el proceso de producción original de axiones desde fotones en el sol. CAST no ha encontrado una señal, aunque el nuevo bucle azul de Friedland sujeto al acoplamiento de axiones y fotones muestra que CAST no era lo suficientemente sensible. El Observatorio Internacional de Axiones (IAXO), que se encuentra actualmente en la fase de diseño, será un helioscopio mucho más grande y tiene una sensibilidad muy superior a CAST o el nuevo límite del bucle azul [ver aquí]. La astronomía de neutrinos es una herramienta poderosa para aprender sobre los axiones. Cuando una estrella colapsa, se emite una gran cantidad de energía en forma de una corta ráfaga de neutrinos. Si los axiones se produjeron en las interacciones de nucleones, llevarían lejos parte de esta energía y acortarían el estallido de neutrinos. El 23 de febrero de 1987, los astrofísicos observaron alrededor de dos docenas de neutrinos por más de 10 segundo desde la supernova SN 1987A. La duración y la fuerza de esta explosión coincidieron bien con lo que se esperaba, lo que sugiere que no demasiada energía podría haber sido producida en forma de axiones [ver aquí]. Varios megadetectores de neutrinos están en funcionamiento en todo el mundo, propuestas para otros que registrarían una señal de alta estadísticas de neutrinos desde una supernova galáctica (se espera que se produzcan en pocas décadas) están bajo consideración. Además de aprender sobre la astrofísica del colapso del núcleo y las propiedades de los neutrinos, estos detectores podrían validar y mejorar los límites de axiones obtenidos de la observación de SN 1987A. La SN 1987A no es, sin embargo, lo suficientemente restrictiva para decir que los axiones no afectan fuertemente el enfriamiento de las estrellas de neutrones. Por otra parte, si los axiones interactúan con los electrones (lo cual es muy posible, pero no es requerido por las teorías actuales) también podrían afectar notablemente la evolución de otras estrellas distintas de las consideradas por Friedland. Existen algunos indicios de que las enanas blancas remanentes estelares demasiado ligeras para convertirse en una estrella de neutrones podrían estar enfriándose más rápido de lo esperado por los procesos estándar únicamente, un efecto que puede atribuirse a la emisión de axiones. Esta hipótesis sin duda sigue siendo especulativa por ahora, pero podría ponerse a prueba con el proyecto IAXO mediante la búsqueda de axiones solares [ver aquí]. También podría ser probado con estudios más cuidadosos de cúmulos globulares de estrellas que se encuentran actualmente en curso en la Pontificia Universidad Católica de Chile, a partir de datos astronómicos modernos. El premio más grande sería no sólo detectar axiones sino identificarlos como materia oscura.Si los axiones son partículas que componen la materia oscura, significaría que sus interacciones son demasiado débiles para que las estrellas los produzcan de forma eficiente, pero lo suficientemente fuerte que pudieran surgir desde los inicios del universo, en la cantidad justa para dar cuenta de toda la materia oscura observada. El resultado de Friedland, que establece un límite máximo para las interacciones axion- fotón, deja abierta esta posibilidad. Por otra parte, si los axiones son la materia oscura, deben estár pasando a través de nuestros laboratorios en grandes cantidades. Los experimentos de Axiones como materia oscura, como el helioscopio CAST, buscan la predicha conversión de los axiones en fotones en presencia de un campo magnético [ver aquí].Una versión muy mejorada del Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) se está comisionando en la Universidad de Washington, Seattle. Utiliza una cavidad de microondas de alta calidad en un campo magnético de 10 Tesla [ver aquí]. Construcciones asociadas se están llevando a cabo en la Universidad de Yale, mientras que los investigadores de DESY en Hamburgo y en el Instituto Max Planck de Física de Munich [ver aquí] están trabajando en nuevas ideas para buscar axiones de materia oscura. La búsqueda de axiones y sus relativas partículas permanece como un ejemplo del poder de los "laboratorios celestiales" para aprender sobre conjeturas física de partículas.El nuevo argumento de Friedland es otro hermoso ejemplo de ello. Los experimentos de próxima generación aún podrían descubrir los axiones solares. La nueva ronda de búsqueda de los axiones de materia oscura está a punto de encontrarlos, si es que ellos representan la materia principal que compone nuestro universo.





artículo del físico Georg Raffelt para physics.aps.






fuente de la información:






 http://physics.aps.org/articles/v6/14