¡Sin debiluchos! Las partículas pesadas no explican las rarezas de las lentes gravitacionales – Ars Technica

Décadas después de que quedó claro que el Universo visible está construido sobre un marco de materia oscura, todavía no sabemos qué es realmente la materia oscura. A gran escala, un cuerpo de evidencia apunta a lo que se llama WIMP, partículas masivas que interactúan débilmente. Pero hay una serie de detalles que son difíciles de explicar con WIMP, y décadas de búsqueda de la partícula no han arrojado nada, dejando a la gente abierta a la idea de que algo más que WIMP involucra materia oscura.

Uno de los muchos candidatos es algo llamado axión, una partícula portadora de fuerza que se ha propuesto para resolver un problema en un campo no relacionado de la física. Son mucho más livianos que los WIMP, pero tienen otras propiedades consistentes con la materia oscura, lo que ha llevado a un bajo nivel de interés en ellos. Ahora, un nuevo artículo afirma que hay características en las lentes gravitacionales (principalmente el resultado de la materia oscura) que se explican mejor por las propiedades similares a las de los axiones.

¿Una partícula o una onda?

Entonces, ¿qué es un axión? En el nivel más simple, es una partícula extremadamente ligera sin giro que actúa como portador de fuerza. Se propusieron originalmente para garantizar que la cromodinámica cuántica, que describe el comportamiento de la fuerza fuerte que mantiene unidos a los protones y los neutrones, no viole la conservación de la paridad de carga. Se ha realizado un trabajo considerable para garantizar que los axiones sean compatibles con otros marcos teóricos y se han realizado varias búsquedas para descubrirlos. Pero los axiones están relegados en gran medida a ser una de las posibles soluciones a un problema que no hemos descubierto cómo resolver.

Sin embargo, han atraído cierta atención como posibles soluciones a la materia oscura. Pero el comportamiento de la materia oscura se explicaba mejor por una partícula pesada, específicamente una partícula masiva de interacción débil. Se esperaba que los axiones fueran más ligeros y pudieran ser tan ligeros como un neutrino casi sin masa. Las búsquedas de axiones tendieron a excluir también muchas de las masas pesadas, lo que hizo que el problema fuera aún más pronunciado.

Pero los axiones pueden regresar, o al menos permanecer estables, durante el giro de los WIMP. Se han construido varios detectores para tratar de detectar las firmas de los WIMP que interactúan débilmente y no han funcionado. Si los WIMP son partículas del modelo estándar, podríamos inferir su existencia en función de la masa faltante en los colisionadores de partículas. No se han reportado evidencias de esto. Esto ha llevado a la gente a reconsiderar si los WIMP son la mejor solución para la materia oscura.

Los WIMP en escalas cósmicas continúan ajustando los datos extremadamente bien. Pero cuando llegas al nivel de las galaxias individuales, hay algunas rarezas que no funcionan tan bien a menos que el halo de materia oscura que rodea la galaxia tenga una estructura compleja. Tales cosas parecen ser ciertas cuando intentas mapear la materia oscura de galaxias individuales en función de su capacidad para crear lentes gravitacionales que distorsionan el espacio para que magnifique y distorsione los objetos de fondo.

El nuevo artículo intenta vincular estas posibles rarezas con la diferencia en las propiedades de WIMPS y los axones. Como su nombre lo indica, los WIMP deberían comportarse como partículas discretas, interactuando casi en su totalidad a través de la gravedad. Por el contrario, los axiones deben interactuar entre sí a través de la interferencia cuántica, creando patrones similares a ondas en su frecuencia en toda la galaxia. Por lo tanto, mientras que la frecuencia de los WIMP debería disminuir suavemente con la distancia desde el núcleo galáctico, los axiones deberían formar una onda estacionaria (técnicamente, un solitón) que aumenta en frecuencia cerca del núcleo galáctico. Patrones de interferencia complejos más distantes deberían crear áreas donde esencialmente no hay axiones y otras áreas donde están presentes al doble de la densidad promedio.

Difícil de detectar

Con algunas posibles excepciones, la materia oscura constituye la mayor parte de la masa de la galaxia. Dado que estos patrones de interferencia deberían dar como resultado que la gravedad de las diferentes áreas de la galaxia sea desigual. Si las diferencias entre regiones son lo suficientemente grandes, esto puede manifestarse como desviaciones menores del comportamiento esperado de las lentes gravitacionales. Por lo tanto, los objetos detrás de la galaxia aún deberían aparecer como imágenes con lentes; es posible que no tengan la forma que esperamos o en el lugar exacto que esperaríamos.

La simulación muestra que estas desviaciones son lo suficientemente pequeñas como para que ni siquiera el telescopio espacial Hubble pueda detectarlas. Pero es posible detectarlos en longitudes de onda de radio combinando datos de radiotelescopios muy separados en lo que es esencialmente un telescopio gigante. (Este enfoque permitió que el Event Horizon Telescope creara una imagen del agujero negro).

Y, al menos en un caso, tenemos ese dato. HS 0810+2554 es una galaxia elíptica masiva ubicada entre nosotros y un agujero negro activo en el núcleo de otra galaxia. La lente gravitatoria de la galaxia en primer plano produce cuatro imágenes de la galaxia activa, cada una con un núcleo galáctico brillante y dos grandes chorros de material que se extienden desde él. Es posible comparar la ubicación y la distorsión de estas cuatro imágenes con lo que esperaríamos en función de la presencia de un halo de materia oscura característico en la galaxia de primer plano.

Con los WIMP, es relativamente sencillo, ya que solo esperamos un patrón: una disminución gradual en los niveles de materia oscura a medida que te alejas del núcleo galáctico. Las predicciones de lentes basadas en esa distribución permiten que los datos del mundo real coincidan con el lugar donde aparecen las imágenes con lentes.

El problema es el mismo análisis basado en patrones de interferencia de axiones, que son caóticos; ejecute el modelo dos veces con diferentes condiciones iniciales y obtendrá un patrón de interferencia diferente. Entonces, las probabilidades de obtener uno en el mundo real haciendo lentes de galaxias son bastante mínimas. En cambio, el equipo de investigación ejecutó 75 modelos diferentes con condiciones iniciales elegidas al azar. Coincidentemente, algunos de estos produjeron distorsiones similares a los datos del mundo real, que generalmente afectan solo a una de las cuatro imágenes de la lente. Por lo tanto, los investigadores concluyen que las distorsiones de las lentes son consistentes con un halo de materia oscura creado por la interferencia cuántica de los axones.

Entonces, ¿es realmente axion?

Analizar una sola galaxia nunca va a ser un éxito definitivo para nada, y hay varias razones para tener mucho cuidado aquí. Primero, los investigadores hicieron algunas suposiciones sobre la distribución de la materia visible normal en la galaxia, que también ejerce una influencia gravitatoria. Se cree que las galaxias elípticas son el resultado de fusiones de galaxias más pequeñas, lo que puede afectar la distribución de la materia oscura de formas sutiles que son difíciles de detectar siguiendo la distribución de la materia normal.

Finalmente, este tipo de patrón de interferencia solo funciona para ejes inusualmente ligeros, del orden de 10.^-22:00 electronvoltios. Por el contrario, el electrón en sí tiene una masa de unos 500.000 electronvoltios. Potencialmente, esto haría que los axiones fueran mucho más ligeros que incluso los neutrinos.

Y los autores del nuevo artículo generalmente son cautelosos acerca de la evidencia aquí, y concluyen su trabajo con la oración: [WIMP- or axion-based dark matter] Una mejor reproducción de las observaciones astrofísicas inclinará la balanza hacia una de las dos clases relevantes de nuevas teorías físicas». Pero su cautela no se ve en la última oración del resumen, donde escriben: [axion-based dark matter] para resolver anomalías de lentes incluso en casos desafiantes como HS 0810+2554, junto con el éxito de reproducir otras observaciones astrofísicas, ha inclinado la balanza hacia una nueva física que invoca axiones».

Sin duda pronto veremos si esa opinión es compartida por los físicos detrás de los autores y revisores de este artículo.

Astronomía de la naturaleza, 2023. DOI. 10.1038/s41550-023-01943-9 (Sobre los DOI).