Límites de exclusión de COSINE-100 para un axión solar

Por Francisco R. Villatoro, el 16 abril, 2019. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Física • Materia oscura • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science

La búsqueda del axión, como firme candidato a explicar la materia oscura, continúa. En el rango de grandes masas, gracias al acoplamiento del axión QCD con el electrón, se pueden buscar axiones originados en el Sol usando los detectores de partículas WIMP, como COSINE-100, EDELWEISS-III, XENON100, PandaX-II, o LUX. Se acaba de publicar el primer límite de exclusión de COSINE-100, todavía muy lejos del obtenido con LUX. Se excluye un acoplamiento con el electrón gae = 1.70 × 10−11 para un axión solar con una masa menor de 1 keV/c2. Este límite excluye los axiones QCD con masa mayor de 0.59 eV/c2 en el modelo DFSZ y mayor de 168.1 eV/c2 en el modelo KSVZ.

Te recuerdo que el axión QCD es un bosón escalar predicho por Wilczek (1978) y Weinberg (1978). En concreto, cuando en el modelo estándar se usa la solución de Peccei y Quinn (1977) al problema CP fuerte en QCD. El axión original tenía una gran masa y está descartado por las observaciones. Pero su masa se puede bajar hasta una región donde aún no se puede descartar; hay dos modelos populares, por un lado el modelo KSVZ, siglas de Kim (1979) y Shifman, Vainstein y Zakharov (1980), y por otro lado le modelo DFSZ, siglas de Dine, Fischler y Srednicki (1980) y Zhitnitskii (1980).

El artículo es COSINE-100 Collaboration (P. Adhikari et al.), “A search for solar axion induced signals with COSINE-100,” arXiv:1904.06860 [hep-ex]. Más información sobre la fuente de los axiones solares en Javier Redondo, “Solar axion flux from the axion-electron coupling,” Journal of Cosmology and Astroparticle Physics JCAP12(2013)008 (2013), doi: 10.1088/1475-7516/2013/12/008arXiv:1310.0823 [hep-ph].

En el Sol se producen axiones por diferentes procesos: dispersión de Compton, γ + e → e + a, axiorecombinación, e + A → A + a, axiodeexcitación A* → A + a, axiobremsstrahlung, e + A → e + A + a, y colisiones electrón-electrón, e + e → e + e + a, donde a es el axión, A es un átomo y e es un electrón. El detector COSINE-100 usa cristales NaI(Tl) con una masa de 106 kg para estudiar la anomalía DAMA/LIBRA. Para axiones con una masa menor de 1 keV/c2 pueden colisionar con los electrones en los cristales NaI(Tl), a + A → e + A+, el llamado efecto axioeléctrico, donde el átomo A es o bien Na o bien I.

La parte derecha de esta figura muestra el flujo predicho de axiones solares en la Tierra en función de su energía y la parte izquierda la sección eficaz para el efecto axioeléctrico para el yodo (curva negra continua) y el sodio (curva roja punteada). El límite obtenido por COSINE-100 se basa en estas estimaciones y un delicado proceso de calibración del detector para evitar falsos positivos. El tiempo efectivo de búsqueda (exposición) ha sido de 59.5 días, durante el cual no se ha observado ninguna señal. Por tanto, solo se ha logrado un límite de exclusión (al 90% CL), mostrado en la figura que abre esta entrada. Por ahora lo único que debemos recordar es que COSINE-100 sigue tomando datos y la búsqueda continúa.



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