Sobre los axiones que podría haber observado XMM-Newton de la ESA

Por Francisco R. Villatoro, el 21 octubre, 2014. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Física • Materia oscura • Noticia CPAN • Noticias • Personajes • Physics • Science ✎ 3

Dibujo20141020 sun axion magnetosphere x-ray xmm-newton - the guardian

George William Fraser (1955-2014) falleció el 17 de marzo, una semana después del envío de su último artículo como primer autor, que se ha publicado este mes a título póstumo. El análisis de los datos recogidos por el telescopio espacial XMM-Newton de la ESA entre 2000 y 2012 muestra una señal de rayos X en la magnetosfera terrestre con una modulación anual. Fraser (Universidad de Leicester, Reino Unido) y sus colegas la interpretan como indicio de un flujo solar de axiones (a 3,1 sigmas C.L.); estas partículas son las candidatas a materia oscura que más nos gustan a muchos físicos.

No es elegante criticar un trabajo póstumo. Dedícale un minuto de silencio a su memoria y luego continúa leyendo. Gracias. La interacción de la radiación solar con la magnetosfera terrestre es muy complicada y XMM-Newton no está diseñado para estudiarla. Casi con toda seguridad la señal observada se puede explicar sin recurrir a la materia oscura axiónica. Ello no quita que muchos medios se hayan hecho eco de esta noticia (que pasó sin pena ni gloria antes del verano).

El artículo técnico es G. W. Fraser et al., “Potential solar axion signatures in X-ray observations with the XMM-Newton observatory,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) 445: 2146-2168, 2014; arXiv:1403.2436 [astro-ph.HE]. A nivel divulgativo te recomiendo leer a Ian Sample, “Dark matter may have been detected – streaming from the sun’s core,” The Guardian, 16 Oct 2014; Elizabeth Gibney, “Physicists see potential dark matter from the Sun,” Nature News, 17 Oct 2014.

Sobre los axiones te recomiendo leer a Enrique Borja, “Materia Oscura — Toma Uno — Claqueta — Axión,” Cuentos Cuánticos, 20 Oct 2014. En este blog he hablado mucho del axión, pero te recomiendo “La búsqueda de las axiones como candidatos a materia oscura,” LCMF, 09 Nov 2013, y “La búsqueda del axión como candidato a materia oscura,” LCMF, 03 Jun 2014.

[PS 17 Nov 2014] Tres posibles fallos en el análisis, que lo invalidan, en M. Roncadelli, F. Tavecchio, “No axions from the Sun,” arXiv:1411.3297 [astro-ph.CO].

Dibujo20141020 Schematics in the GSE noon-midnight plane of the orthogonal xmm-newton orbit - mnras

El telescopio espacial XMM-Newton de la ESA (Agencia Europea del Espacio) fue lanzado en 1999 y tiene una órbita muy elíptica (en color negro en esta figura). Cuando observa en una dirección perpendicular al vector Tierra-Sol en invierno detecta rayos X emitidos por la magnetosfera terrestre en la parte más alejada al Sol (figura izquierda). Cuando lo hace en verano detecta rayos X en la parte más cercana al Sol (figura derecha). Como es obvio ello introduce una modulación anual en la señal observada. Davoudiasl y Huber (2006) y otros autores propusieron que en esta modulación se puede observar la conversión geomagnética de axiones solares en rayos X (GECOSAX por Geomagnetic Conversion of Solar Axion into X-rays). El artículo técnico es Hooman Davoudiasl, Patrick Huber, “Detecting Solar Axions Using Earth’s Magnetic Field,” Phys. Rev. Lett. 97: 141302, 2006; arXiv:hep-ph/0509293.

Dibujo20141020 signal calculated monthly 2000-2008 compared to theoretical expectations - mnras

Para entender la modulación anual de la señal hay que usar un modelo de la magnetosfera terrestre y su interacción con la irradiación solar. No es nada fácil. Fraser y sus colegas usan el modelo desarrollado por Luhmann y Friesen en 1979, en lugar del modelo de referencia IGRF (International Geomagnetic Reference Field). Gracias a dicho modelo teórico estudian la señal observada por la cámara EPIC (European Photon Imaging Camera) de XMM-Newton entre el año 2000 y el año 2012. Esta cámara tiene tres canales llamados pn CCD, MOS1 y MOS2 que se pueden usar para medir la señal GECOSAX comparando la señal en “invierno” con la señal en “verano” en la región de energía entre 2 y 6 keV (kiloelectrónvoltio).

El proceso de análisis no es fácil, entre otras razones, porque XMM-Newton fue diseñado para evitar la señal GECOSAX (que se observa de soslayo al ser “ruido de fondo” no deseado para esta misión de la ESA). La selección de los datos de las 2360 revoluciones de XMM-Newton se ha realizado “a ojo de buen cubero” (literalmente “datasets were then visually inspected [and the ‘noisy’ ones] were rejected“). El artículo técnico no deja claro los heurísticos usados para la selección de los datos “buenos” (el 17%) y el descarte de los “malos” (el restante 83%), aunque dedica una página completa a discutirlos en la sección 3.1. En mi opinión, no sólo el análisis es imposible de repetir (usando sólo la información del artículo), sino que hay un claro sesgo de confirmación en la metodología usada. Más aún, los diagnósticos de calidad de las observaciones seleccionadas tampoco son convincentes. Y para más inri, Fraser y sus colegas no han usado un modelo detallado de los detectores (ellos mismos lo confiesan: “The precise details of the EPIC MOS electrode design remain proprietary. (…) Using published values…”). En mi opinión, si el análisis es repetido por la propia colaboración XMM-Newton, que conoce en detalle las cámaras EPIC, los resultados pueden ser muy diferentes.

Dibujo20141020 epic pn CMOS x-ray spectra - four seasons - mnras

Los resultados de la cámara EPIC pn CMOS muestran claramente la modulación anual. Los datos analizados entre 2000 y 2012 se han dividido en cuatro estaciones: A1/invierno (negro), A2/primavera (rojo), A3/verano (verde) y A4/otoño (azul). Según Fraser y sus colegas, si no existiera la señal GECOSAX debida a los axiones solares las cuatro curvas deberían coincidir; sin embargo, se observa claramente que la curva A4/otoño está muy por encima de la curva A1/invierno. La hipótesis de los autores es interpretar esta modulación anual como señal de la materia oscura axiónica. En mi opinión, dicha interpretación es muy discutible.

Dibujo20141020 epic MOS1 and MOS2 x-ray spectra - four seasons - mnras

El espectro de las cámaras EPIC MOS1 y MOS2 muestra también la modulación anual de la señal, aunque de forma menos clara. El espectro (de los datos seleccionados por los autores) de EPIC pn CMOS, MOS1 y MOS2 muestra la modulación a 11 σ, 4 σ y 5 σ, respectivamente. Sin embargo, la interpretación como señal GECOSAX de esta modulación tiene sólo 3,1 σ (99,94% de confianza estadística). Aunque algunos medios han interpretado el artículo como un descubrimiento (porque la modulación tiene más de 5 sigmas), los autores se curan en salud y afirman que su hipótesis del origen axiónico de la señal sólo alcanza unas 3 sigmas. ¿Qué masa tendría el axión si fuera la partícula responsable de la modulación anual observada? Según Fraser y sus colegas sería de 2,3 μeV que es compatible con los límites de exclusión actuales (que afirman que, de existir el axión, debe tener una masa entre 1 μeV < m < 1 meV).

¿Hay otras explicaciones (diferentes del axión) a la modulación observada? En un apéndice al artículo, Fraser y sus colegas discuten varias explicaciones alternativas, pero sesgan la discusión sugiriendo que son explicaciones menos firmes que su hipótesis. En mi opinión, la interacción entre la irradiación solar y la magnetosfera terrestre es lo suficientemente complicada, e ignoramos tantas cosas sobre ella, que casi con toda seguridad la modulación anual observada por XMM-Newton, si se confirma por futuros observatorios, tiene una explicación que no involucra la materia oscura axiónica. Como siempre, espero estar equivocado (pues creo firmemente en el axión como partícula responsable de la materia oscura).

Dibujo20141020 George Fraser - University of Leicester - UK

En resumen, en sus 36 años de carrera académica, George W. Fraser ha realizado importantes contribuciones a la astronomía de rayos X y será recordado como uno de los grandes de la “Golden Age of X-ray Astronomy” (Obituario). Recordémosle con un minuto de silencio. Gracias.



3 Comentarios

  1. Muchas gracias por tu tiempo y tus análisis tan detallados. Esperaremos con paciencia a ver si se llega a confirmar el hallazgo de los tan esperados axiones.

Deja un comentario