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Axión

Un axión ( / ˈ æ k s i ɒ n / ) es una partícula elemental hipotética originalmente postulada por la teoría de Peccei-Quinn en 1977 para resolver el problema de CP fuerte en cromodinámica cuántica (QCD). Si los axiones existen y tienen una masa baja dentro de un rango específico, son de interés como posible componente de la materia oscura fría .

Historia

Fuerte problema de CP

Como lo muestra Gerard 't Hooft , [2] 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 interacciones débiles , el término periódico efectivo que viola CP fuerte, Θ , aparece como una entrada del Modelo Estándar ; su valor no lo predice la teoría, pero debe medirse. Sin embargo, las grandes interacciones que violan CP y se originan en QCD inducirían un gran momento dipolar eléctrico (EDM) para el neutrón . Las restricciones experimentales sobre el EDM actualmente no observado implican que la violación de CP por QCD debe ser extremadamente pequeña y, por lo tanto, Θ debe ser en sí mismo extremadamente pequeño. Dado que Θ podría tener cualquier valor entre 0 y 2 π , esto presenta un problema de " naturalidad " para el modelo estándar. ¿Por qué este parámetro debería encontrarse tan cerca de cero? (O, ¿por qué la QCD debería preservar la PC?) Esta pregunta constituye lo que se conoce como el problema de la PC fuerte . [b]

Predicción

En 1977, Roberto Peccei y Helen Quinn postularon una solución más elegante al problema de CP fuerte, el mecanismo de Peccei-Quinn . La idea es promover eficazmente Θ en un campo. Esto se logra agregando una nueva simetría global (llamada simetría de Peccei-Quinn (PQ) ) que se rompe espontáneamente. Esto da como resultado una nueva partícula, como lo demostraron independientemente Frank Wilczek [5] y Steven Weinberg , [6] que cumple el papel de Θ , relajando naturalmente el parámetro de violación CP a cero. Wilczek nombró a esta nueva partícula hipotética "axion" en honor a una marca de detergente para ropa porque "limpió" un problema, [7] [8] mientras que Weinberg la llamó "el revoltijo". Más tarde, Weinberg aceptó adoptar el nombre de Wilczek para la partícula. [8] Debido a que tiene una masa distinta de cero, el axión es un bosón pseudo-Nambu-Goldstone . [9]

Materia oscura axión

Los efectos QCD producen un potencial periódico efectivo en el que se mueve el campo de axiones. Las oscilaciones del campo de axiones 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. [10] [11] [12] Con una masa superior a 5  µeV/ c² (10 −11 veces la masa del electrón ), los axiones podrían representar la materia oscura y, por lo tanto , ser tanto un candidato de materia oscura como una solución al CP fuerte. problema. Si la inflación se produce a baja escala y dura lo suficiente, la masa del axión puede ser tan baja como 1 peV/ c² . [13] [14] [15]

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

A grandes rasgos se produce uno de los dos escenarios posibles reseñados en los dos subapartados siguientes:

Escenario preinflacionario

Si se cumplen tanto (a) como (b), la inflación cósmica selecciona una porción del Universo dentro de la cual la ruptura espontánea de la simetría PQ conduce a un valor homogéneo del valor inicial del campo de axiones. En este escenario "preinflacionario", los defectos topológicos se eliminan y no contribuyen a la densidad de energía del axión. Sin embargo, otros límites que provienen de los modos de isocurvatura limitan severamente este escenario, que requiere una escala de inflación de energía relativamente baja para ser viable. [16] [17] [18]

Escenario posinflacionario

Si se viola al menos una de las condiciones (a) o (b), el campo de axiones toma valores diferentes dentro de parches que inicialmente están fuera de contacto causal , pero que hoy pueblan el volumen encerrado por nuestro horizonte de Hubble . En este escenario, las fluctuaciones de isocurvatura en el campo PQ aleatorizan el campo de axiones, sin ningún 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 provenientes del mecanismo de desalineación, incluida la contribución de defectos topológicos como cadenas "axiónicas" y paredes de dominio . Borsanyi et al. informaron una estimación de la masa del axión entre 0,05 y 1,50 meV. (2016). [19] El resultado se calculó simulando la formación de axiones durante el período posterior a la inflación en una supercomputadora . [20]

Los avances recientes en la determinación de la abundancia actual de un axión tipo KSVZ [c] utilizando simulaciones numéricas conducen a valores entre 0,02 y 0,1 meV, [23] [24] aunque estos resultados han sido cuestionados por los detalles sobre el espectro de potencia de los axiones emitidos. de cuerdas. [25]

Fenomenología del campo axión.

Búsquedas

Los modelos de Axion eligen cuidadosamente fuerzas de acoplamiento que son demasiado débiles para haber sido detectadas en experimentos anteriores. Se pensaba que estos " axiones invisibles " resolvían el problema de la CP fuerte y al mismo tiempo eran demasiado pequeños para haber sido observados antes. La literatura actual analiza los mecanismos del "axión invisible" en dos formas, llamadas KSVZ ( Kim – Shifman – Vainshtein – Zakharov ) [21] [22] y DFSZ ( Dine – Fischler – Srednicki – Zhitnitsky ). [26] [27]

El axión muy débilmente acoplado también es muy ligero, porque los acoplamientos de axiones y la masa son proporcionales. La satisfacción con los "axiones invisibles" cambió cuando se demostró que cualquier axión muy ligero habría sido sobreproducido en el universo primitivo y, por lo tanto, debía ser excluido. [10] [11] [12]

Ecuaciones de Maxwell con modificaciones de axiones.

Pierre Sikivie calculó cómo se modifican las ecuaciones de Maxwell en presencia de un axión en 1983. [28] Demostró que estos axiones podían detectarse en la Tierra convirtiéndolos en fotones, utilizando un fuerte campo magnético, lo que motivó una serie de experimentos. Por ejemplo, el experimento Axion Dark Matter convierte la materia oscura axion en fotones de microondas, el Telescopio Solar Axion del CERN convierte los axiones producidos en el núcleo del Sol en rayos X, y otros experimentos buscan axiones producidos en luz láser. [29] Actualmente, hay docenas de experimentos propuestos o en curso que buscan materia oscura axión. [30]

Las ecuaciones de la electrodinámica de axiones suelen escribirse en "unidades naturales", donde la constante de Planck reducida , la velocidad de la luz y la permitividad del espacio libre se establecen en la unidad. En este sistema de unidades, son:

Arriba, un punto indica una derivada del tiempo y el acoplamiento axión-fotón es .

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 dual, asumiendo la existencia de monopolos magnéticos . [31] Sin embargo, estas formulaciones alternativas están menos motivadas teóricamente y, en muchos casos, ni siquiera pueden derivarse de una acción .

Efecto análogo para aisladores topológicos.

Un término análogo al que se agregaría a las ecuaciones de Maxwell para explicar los axiones [32] también aparece en modelos teóricos recientes (2008) para aisladores topológicos que brindan una descripción efectiva de los axiones de la electrodinámica de estos materiales. [33]

Este término conduce a varias propiedades interesantes predichas, incluido un efecto magnetoeléctrico cuantificado . [34] Se han proporcionado pruebas de este efecto en experimentos de espectroscopía de THz realizados en la Universidad Johns Hopkins con aisladores topológicos de película delgada de régimen cuántico desarrollados en la Universidad de Rutgers . [35]

En 2019, un equipo del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos publicó su detección de aislantes de axiones dentro de un semimetal de Weyl . [36] Un aislante de axión es una cuasipartícula (una excitación de electrones que se comportan juntos como un axión) y su descubrimiento es consistente con la existencia del axión como partícula elemental. [37]

experimentos

A pesar de que aún no se han encontrado, los modelos de axiones se han estudiado bien durante más de 40 años, lo que ha dado tiempo a los físicos para desarrollar conocimientos sobre los efectos de los axiones que podrían detectarse. Actualmente se están realizando varias búsquedas experimentales de axiones; la mayoría explota la ligera interacción esperada de los axiones con fotones en campos magnéticos fuertes. Los axiones también son uno de los pocos candidatos plausibles que quedan para partículas de materia oscura, y podrían descubrirse en algunos experimentos sobre materia oscura.

Restricciones en el acoplamiento del axión al fotón.
Restricciones al acoplamiento adimensional del axión a los electrones

Conversión directa en un campo magnético.

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

El Experimento Axion de Materia Oscura (ADMX) de la Universidad de Washington utiliza un fuerte campo magnético para detectar la posible conversión débil de axiones en microondas . [38] ADMX busca en el halo galáctico de materia oscura [39] axiones que resuenan con una cavidad fría de microondas. ADMX ha excluido los modelos de axiones optimistas en el rango de 1,9 a 3,53 μeV. [40] [41] [42] De 2013 a 2018 se realizaron una serie de actualizaciones [43] y se están tomando nuevos datos, incluso entre 4,9 y 6,2 µeV. En diciembre de 2021 excluyó el rango de 3,3 a 4,2 μeV para el modelo KSVZ. [44] [45]

Otros experimentos de este tipo incluyen DMRadio, [46] HAYSTAC, [47] CULTASK, [48] y ORGAN. [49] HAYSTAC completó recientemente la primera ejecución de escaneo de un haloscopio por encima de 20 µeV. [47]

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 . [50] Un reclamo de rotación [51] en 2006 fue excluido por una configuración mejorada. [52] En 2014 se inició una búsqueda optimizada.

Luz brillando a través de las paredes

Otra técnica es la llamada "luz que brilla a través de las paredes", [53] donde la luz pasa a través de un intenso campo magnético 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 realizados por BFRS y un equipo dirigido por Rizzo descartaron una causa de axión. [54] GammeV no vio ningún evento, según se informó en una carta de Physics Review de 2008. ALPS I realizó ejecuciones similares, [55] estableciendo nuevas limitaciones en 2010; ALPS II se está construyendo actualmente en 2022. [56] OSQAR no encontró señal, lo que limita el acoplamiento [57] y continuará.

Búsquedas astrofísicas de axiones

Los bosones tipo axión podrían tener una firma en entornos astrofísicos. En particular, varios trabajos recientes han propuesto partículas similares a axiones como una solución a la aparente transparencia del Universo a los fotones TeV. [58] [59] 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 manera mucho más eficiente. Esto, a su vez, daría lugar a distintas características similares a las de absorción en los espectros detectables por los telescopios actuales. [60] Un nuevo medio prometedor es buscar 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 de las que se pueden lograr actualmente. [61] El Observatorio Internacional Axion (IAXO) es un helioscopio propuesto de cuarta generación . [62]

Los axiones pueden convertirse resonantemente en fotones en las magnetosferas de las estrellas de neutrones . [63] Los fotones emergentes se encuentran en el rango de frecuencia de GHz y pueden ser captados potencialmente por detectores de radio, lo que lleva a una sonda sensible del espacio de parámetros del axión. Esta estrategia se ha utilizado para limitar el acoplamiento axión-fotón en el rango de masa de 5 a 11 μeV, volviendo a analizar los datos existentes del Telescopio Green Bank y el Telescopio Effelsberg de 100 m. [64] Una estrategia alternativa novedosa consiste en detectar la señal transitoria del encuentro entre una estrella de neutrones y un minicúmulo de axiones en la Vía Láctea . [sesenta y cinco]

Se pueden producir axiones en el núcleo del Sol cuando los rayos X se dispersan en fuertes campos eléctricos. El telescopio solar CAST está en marcha y ha establecido límites al acoplamiento de fotones y electrones. Los axiones pueden producirse dentro de las estrellas de neutrones, mediante bremsstrahlung nucleón-nucleón . La posterior desintegración de los axiones en rayos gamma permite imponer restricciones a la masa del axión a partir de observaciones de estrellas de neutrones en rayos gamma utilizando el Fermi LAT. A partir de un análisis de cuatro estrellas de neutrones, Berenji et al. (2016) obtuvieron un límite superior del intervalo de confianza del 95% en la masa del axión de 0,079 eV. [66] En 2021 también se sugirió [67] [68] que un exceso informado [69] 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 de Tecnología de Massachusetts ideó una posible forma de detectar axiones utilizando un fuerte campo magnético que no necesita ser más fuerte que el producido en una máquina de resonancia magnética . Mostraría variación, una ligera oscilación, que está ligada a la masa del axión. A partir de 2019, el experimento lo están implementando experimentadores de la universidad. [70]

En 2022, las mediciones de luz polarizada de Messier 87* realizadas por el EHT se utilizaron para limitar la masa del axión, suponiendo que se podrían formar hipotéticas nubes de axiones alrededor de un agujero negro, rechazando el  rango de valores de masa de ~ eV/c^2. [71] [72]

Búsquedas de efectos de resonancia.

Los efectos de resonancia pueden ser evidentes en las uniones Josephson [73] debido a un supuesto alto flujo de axiones del halo galáctico con una masa de 110 µeV y una densidad0,05 GeV/cm 3 [74] en comparación con la densidad de materia oscura implícita0,3 ± 0,1 GeV/cm 3 , lo que indica que dichos axiones no tendrían masa suficiente 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. [49]

Búsquedas de retroceso de materia oscura

Los detectores criogénicos de materia oscura han buscado retrocesos de electrones que indicarían axiones. CDMS se publicó en 2009 y EDELWEISS estableció límites de masa y acoplamiento 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. [75]

Precesión de espín nuclear

Si bien el teorema de Schiff establece que un momento dipolar eléctrico nuclear (EDM) estático no produce EDM atómicos y moleculares, [76] el axión induce un EDM nuclear oscilante que oscila en 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 se puede medir mediante magnetometría de precesión y, si se detecta, sería evidencia de Axiones. [77]

Un experimento que utiliza esta técnica es el Experimento de precesión del giro del axión cósmico (CASPEr). [78] [79] [80]

Búsquedas en colisionadores de partículas

Los axiones también se pueden producir en colisionadores, en particular en colisiones de electrones y positrones, así como en colisiones de iones pesados ​​ultraperiféricos en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, reinterpretando el proceso de dispersión luz a luz . Esas búsquedas son sensibles para masas de axiones bastante grandes, entre 100 MeV/c² y cientos de GeV/c². Suponiendo un acoplamiento de axiones con el bosón de Higgs, las búsquedas de desintegraciones anómalas del bosón de Higgs en dos axiones pueden, en teoría, proporcionar límites aún más fuertes. [81]

Posibles detecciones

En 2014 se informó que es posible que se hayan detectado pruebas de axiones como una variación estacional en la emisión de rayos X observada que se esperaría de la conversión en el campo magnético de la Tierra de los axiones que fluyen desde el 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 que no se pudo encontrar 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 hacia el Sol en la que los rayos X pueden ser producidos por axiones del núcleo del Sol. [82] [83]

Esta interpretación de la variación estacional es cuestionada por dos investigadores italianos, que identifican fallas en los argumentos del grupo de Leicester que descartarían una interpretación en términos de axiones. Lo más importante es que la dispersión en el ángulo que el grupo de Leicester supone que es causada por gradientes del campo magnético durante la producción de fotones, necesaria para permitir que los rayos X entren en el detector que no puede apuntar directamente al Sol, disiparía el flujo tanto que la probabilidad de detección sería insignificante. [84]

En 2013, Christian Beck sugirió que los axiones podrían detectarse en las uniones de Josephson ; y en 2014, argumentó que, de hecho, se había observado una firma, consistente con una masa ≈110 μeV, en varios experimentos preexistentes. [85]

En 2020, el experimento XENON1T en el Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia informó un resultado que sugiere el descubrimiento de axiones solares. [86] Los resultados aún no son significativos en el nivel 5-sigma requerido para la confirmación, y otras explicaciones de los datos son posibles, aunque menos probables. [87] Nuevas observaciones realizadas en julio de 2022, después de la actualización del observatorio a XENONnT , descartaron el exceso, poniendo así fin a la posibilidad de descubrir nuevas partículas. [88] [89]

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 de 1 µeV/c² a 1 eV/c² y secciones transversales de interacción muy bajas para fuerzas fuertes y débiles . Debido a sus propiedades, los axiones interactuarían sólo mínimamente con la materia ordinaria. Los axiones también cambiarían hacia y desde fotones en campos magnéticos.

Implicaciones cosmológicas

La inflación sugiere que, si existen, los axiones se crearían en abundancia durante el Big Bang . [90] Debido a un acoplamiento único con el campo instantáneo del universo primordial (el " mecanismo de desalineación "), se crea una fricción dinámica efectiva durante la adquisición de masa, después de la inflación cósmica . Esto priva a todos esos axiones primordiales de su energía cinética. [ cita necesaria ]

El axión ultraligero (ULA) con m ~ 10 −22 eV es un tipo de materia oscura de campo escalar que parece resolver los problemas a pequeña escala del CDM. Una única ULA con una constante de caída de escala GUT proporciona la densidad de reliquia correcta sin necesidad de realizar ajustes finos. [91]

Los axiones también habrían dejado de interactuar con la materia normal en un momento diferente después del Big Bang que otras partículas oscuras más masivas. [ ¿ por qué? ] Los efectos persistentes de esta diferencia tal vez podrían calcularse y observarse astronómicamente. [ cita necesaria ]

Si los axiones tienen poca masa, evitando así otros modos de desintegración (ya que no hay partículas más ligeras en las que desintegrarse), las teorías [ ¿cuáles? ] predicen que el universo estaría lleno de un condensado de axiones primordiales de Bose-Einstein muy frío . Por tanto, los axiones podrían explicar de manera plausible el problema de la materia oscura en la cosmología física . [92] Se están realizando estudios de observación, pero aún no son lo suficientemente sensibles para sondear las regiones de masa si son la solución al problema de la materia oscura y la región de materia oscura difusa comienza a ser sondeada mediante superrradiancia . [93] Los axiones de gran masa del tipo buscado por Jain y Singh (2007) [94] no persistirían en el universo moderno. Además, si existen axiones, la dispersión con otras partículas en el baño termal del universo primitivo produce inevitablemente una población de axiones calientes. [95]

Los axiones de baja masa podrían tener una estructura adicional a escala galáctica. Si cayeran continuamente en las galaxias desde el medio intergaláctico, serían más densos en los anillos " cáusticos ", del mismo modo que el chorro de agua en una fuente que fluye continuamente es más grueso en su punto máximo. [96] Los efectos gravitacionales de estos anillos sobre la estructura y rotación galáctica podrían entonces ser observables. [97] [98] Otros candidatos teóricos de materia oscura fría, como WIMP y MACHO , también podrían formar tales anillos, pero debido a que dichos candidatos son fermiónicos y, por lo tanto, experimentan fricción o dispersión entre ellos, los anillos estarían menos definidos. [ cita necesaria ]

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, lo que permitiría su detección. Al ajustar la masa de los axiones para explicar la materia oscura, la pareja descubrió que el valor también explicaría la luminosidad y longitud de onda de las rápidas ráfagas de radio , siendo un posible origen de ambos fenómenos. [99] En 2022 se utilizó una hipótesis similar para limitar la masa del axión a partir de datos de M87*. [ cita necesaria ]

Supersimetría

En las teorías supersimétricas , el axión tiene una supercompañera tanto escalar como fermiónica . La supercompañera fermiónica del axión se llama axino , la supercompañera escalar se llama saxión o dilatón . Todos ellos están agrupados en un supercampo quiral .

Se ha predicho que el axino será la partícula supersimétrica más ligera en dicho modelo. [100] En parte debido a esta propiedad, se considera un candidato para la materia oscura. [101]

Ver también

Notas a pie de página

  1. ^ Esta estructura de vacío no trivial resuelve un problema asociado a la simetría axial U(1) de QCD [3] [4]
  2. ^ Existe una solución simple al problema de CP fuerte : si al menos uno de los quarks del modelo estándar no tiene masa, la violación de CP se vuelve inobservable. Sin embargo, la evidencia empírica sugiere firmemente que ninguno de los quarks carece de masa. En consecuencia, los teóricos de las partículas buscaron otras soluciones al problema de la CP inexplicablemente conservada.
  3. ^ En la actualidad, la literatura de física analiza los mecanismos del "axión invisible" en dos formas, una de ellas se llama KSVZ por Kim – Shifman – Vainshtein – Zakharov . [21] [22] Consulte la discusión en la sección "Búsquedas", a continuación.

Referencias

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Fuentes

enlaces externos

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