El último límite de CAST para la interacción entre axiones y fotones

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El axión es un candidato a partícula de materia oscura muy prometedor. El Telescopio de Axiones Solares del CERN (CAST, por CERN Axion Solar Telescope) ha finalizado su operación sin observar el axión. Se publica en Nature Physis su último límite de exclusión tras tomar datos entre 2013 y 2015. Ha logrado bajar el límite actual para el acoplamiento entre el axión y el fotón a una región similar a la obtenida con estudios astrofísicos (que son indirectos). El futuro de la búsqueda del axión en el CERN será gracias a IAXO (International Axion Observatory).

El axión es una hipotética partícula predicha en 1977 por los físicos Roberto Peccei y Helen Quinn; el mecanismo de Peccei–Quinn es una solución elegante al problema CP fuerte. Consiste en añadir una nueva simetría global a la teoría que se rompe de forma espontánea, apareciendo una nueva partícula (como observó Weinberg en 1978). Recibió el nombre de axión, nombre de un detergente popular en EEUU en los 1970, en un artículo de Frank Wilczek de 1978, ya que limpiaba la teoría QCD de la interacción fuerte.

El artículo es CAST Collaboration, “New CAST limit on the axion–photon interaction,” Nature Physics 13: 584–590 (2017), doi: 10.1038/nphys4109, arXiv:1705.02290 [hep-ex]; más información divulgativa en Maurizio Giannotti, “Axion searches: Exciting times,” Nature Physics 13: 530–531 (2017), doi: 10.1038/nphys4139.

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Los axiones se propusieron para resolver un problema del modelo estándar asociado a la interacción fuerte (QCD) mediante una rotura espontánea de la simetría, luego comparten con el bosón de Higgs ser una predicción del modelo estándar; además, en muchas extensiones del modelo estándar aparecen partículas similares a los axiones (llamadas ALPs, por axion-like particles). Para su observación se aprovecha que interaccionan con el fotón; un axión se puede transformar en un fotón y viceversa; además dicha interacción se refuerza en presencia de intensos campos magnéticos.

Dibujo20170710 Sketch of the CAST helioscope at CERN to search for solar axions nphys4109-f1

Si existen los axiones, el Sol (y toda estrella) debería ser una fuente intensa. CAST usa un dipolo magnético del LHC de 9,26 metros de longitud capaz de producir un campo magnético de 9 teslas. Mediante una plataforma móvil, a ciertas horas del día, se le hace apuntar a modo de telescopio hacia el Sol. Un axión producido en el Sol que entre en el telescopio se puede transformar en un fotón que se detecta mediante un telescopio de rayos X. Hay otros detectores de axiones, como ADMX3, un holóscopo de axiones, y ALPS4, que pretende producir los axiones mediante un láser.

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Hay límites astrofísicos a los axiones, que permiten estimar de forma indirecta su acoplamiento con los fotones. El nuevo límite de CAST (2013–2015) mejora el límite anterior (2003–2011) y lo pone casi por debajo de algunos límites astrofísicos. El avance es importante, pero, como siempre pasa en física de la materia oscura, el espacio de parámetros aún por explorar sigue siendo muy grande. Futuros telescopios de axiones como IAXO seguirán mejorando estos límites, y quizás acaben descubriendo esta partícula tan buscada y tan prometedora.

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[PS 11 Jul 2017] Creo que es necesario aclarar que la interacción entre un axión y los fotones es indirecta, vía lazos de quarks. Los axiones QCD tienen hipercarga de color e interaccionan con los quarks (que tienen carga eléctrica e interaccionan con los fotones). Como muestras estos diagramas de Feynman [fuente] un axión puede decaer en dos fotones, como un Higgs, vía un lazo de tres quarks; en presencia de un campo magnético intenso, uno de los fotones interacciona con el vacío de dicho campo y no es observable, con lo que se observa la transformación de un axión en un fotón (vía el lazo de fermiones). Más información. [/PS]


7 Comentarios

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EloyEloy

No Francis, no le conozco en persona pero seguro que sería apasionante hablar con él.
Lo poco que sé de él es lo que he visto en sus vídeos.
Un saludo

BloodStarBloodStar

Me he perdido un poco, aunque será por no tener el nivel suficiente. Pido disculpas por anticipado si la duda es muy estúpida.

Tengo entendido que la materia oscura se llama así porque no interactúa con el espectro eletromagnético. Qué un candidato a ser materia oscura se pueda convertir en un fotón me choca bastante y no lo entiendo muy bien.

Si no hay una explicación sencilla, que seguro que no la hay, me gustaría al menos que me orientases hacia dónde debo mirar para intentar comprenderlo. ¿Quizás deba leer sobre el concepto de “acoplamiento”?

Gracias.

Francisco R. Villatoro

BloodStar, la materia oscura interacciona muy poco con la materia bariónica, pero tiene que interaccionar algo (más allá de la gravitación), si queremos detectarla; en concreto, la materia oscura puede interaccionar con el campo eletromagnético, pero tiene que hacerlo muy, pero muy poco. Por ello muchos candidatos a materia oscura interaccionan con los fotones, pero muy poco. Por supuesto, a nivel divulgativo, a veces se simplifica y se dice que es “oscura” porque no interacciona con el electromagnetismo; pero esto falso, basta con que interaccione muy poco para ser “oscura”.

Los axiones son partículas predichas por la QCD e interaccionan vía la hipercarga de color; como los fotones no tienen hipercarga de color, la interacción entre axión y fotón no puede ser directa, como tampoco lo es la interacción entre el Higgs y los fotones, porque los fotones no tienen masa. Un Higgs decae en dos fotones vía un lazo de fermiones con masa; un axión decae en dos fotones vía un lazo de quarks. En presencia de un campo magnético, uno de los dos fotones interacciona con dicho campo magnético y no se observa, con lo que el axión aparenta decaer en un solo fotón (observable); pero, siempre, dicha interacción es mediada por un lazo de quarks. Quizás esta es la duda que tenías, BloodStar; al ser una interacción indirecta, vía un lazo de fermiones, su acoplamiento es muy pequeño.

He añadido una figura con un diagrama de Feynman al final de la entrada para aclarar la cuestión.

BloodStarBloodStar

Muchas gracias por responder tan rápido.

Entonces interactuar interactúa pero de forma muy limitada. Y esta conversión es una de esas interacciones, ¿no?

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