¿Partículas exóticas creadas en supernovas?

El axión es una partícula teórica con cuya existencia comenzó a especularse a finales de la década de 1970. Si los axiones existen, podría ser la identidad de la materia oscura, una clase teórica de materia que pasa del todo desapercibida excepto por su influencia gravitacional.

La comunidad científica llegó hace tiempo a la conclusión de que hay materia extra y oculta, distribuida de un modo que tampoco se corresponde con la simple presencia de agujeros negros convencionales, y que es la responsable de que las galaxias no se fragmenten en tiras cuando giran sobre sí mismas. Esta materia extra, la materia oscura, es de hecho más abundante incluso que la materia normal, que es de la que está hecho todo el universo visible.

La búsqueda de la identidad de la materia oscura se dirigió inicialmente hacia astros de un tipo denominado “objeto astrofísico masivo de halo compacto” (MACHO por sus siglas en inglés), teóricamente esparcidos por nuestra galaxia y por el universo en general. Pero fue pasando el tiempo y las búsquedas no encontraron indicios de que esa fuese la naturaleza de la materia oscura, de modo que esa posible identidad fue descartada y se pasó a investigar otra opción, la de una clase teórica de partículas llamadas partículas masivas de interacción débil (WIMPs por sus siglas en inglés). Lo mismo ocurrió al buscar indicios de su existencia. El candidato actual a ser la identidad de la materia oscura es el axión.

El tipo de axión considerado como el que más probabilidades tiene de existir es el denominado “axión QCD”. Este interactúa teóricamente con toda la materia, aunque de forma débil, a través de las cuatro fuerzas de la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza fuerte, que mantiene unidos a los átomos, y la fuerza débil, que explica la ruptura de los átomos. Una de las consecuencias es que, en un campo magnético intenso, un axión debería convertirse ocasionalmente en una onda electromagnética, o fotón. El axión es muy diferente de otra partícula ligera que interactúa débilmente, el neutrino, que sólo interactúa a través de la gravedad y la fuerza débil e ignora totalmente la fuerza electromagnética.

En un nuevo estudio, unos astrofísicos han llegado a la conclusión de que el axión podría ser detectado, y por tanto su existencia confirmada como real, en los primeros segundos de la llegada a la Tierra de rayos gamma provenientes de una supernova, una explosión estelar que marca la muerte de la estrella que la sufre.

Los autores del estudio son Benjamin Safdi, Inbar Savoray, Yujin Park y Claudio Andrea Manzari, todos de la Universidad de California en Berkeley, Estados Unidos.

Según estos astrofísicos, los axiones, si existen, se generarían en cantidades copiosas durante aproximadamente los primeros 10 segundos tras el colapso del núcleo de una estrella masiva y su conversión a estrella de neutrones, y esos axiones escaparían y se transformarían en rayos gamma de alta energía en el intenso campo magnético de la estrella.

Una detección de este tipo solo es posible hoy en día si el único telescopio de rayos gamma en órbita, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, apunta en la dirección de la supernova en el momento de su explosión. Teniendo en cuenta el campo de visión del telescopio, la probabilidad es de una entre diez.

Sin embargo, una sola detección de rayos gamma permitiría precisar la masa del axión, en particular el llamado axión QCD, de entre muchas posibles masas teóricas, incluyendo las masas comprendidas en los rangos que se están explorando actualmente en experimentos en la Tierra. La falta de detección eliminaría como posible una amplia gama de masas potenciales para el axión, y volvería irrelevantes a la mayoría de las búsquedas actuales de materia oscura.

El problema es que, para que los rayos gamma delatadores sean lo bastante brillantes como para detectarlos, la supernova tiene que estar cerca (dentro de nuestra Vía Láctea o de una de sus galaxias satélite) y por término medio en este rango de distancias solo ocurre una explosión de tipo supernova una vez cada varias décadas. La última supernova cercana se produjo en 1987 en la Gran Nube de Magallanes, una de las galaxias satélite de la Vía Láctea. En aquel momento, un telescopio de rayos gamma ya desaparecido, Solar Maximum Mission, apuntaba en dirección a la supernova, pero no era lo bastante sensible como para poder detectar la intensidad prevista de rayos gamma, según el análisis de Safdi y sus colegas.

La supernova SN 1987A vista en luz de la banda visible, así como en rayos X y en ondas de radio, en una imagen combinada. (Imagen en ondas de radio: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), P. Cigan y R. Indebetouw; NRAO / AUI / NSF, B. Saxton. Imagen en rayos X: NASA / CXC / SAO / PSU / K. Frank et al. Imagen en luz visible: NASA / STScI)

Safdi y sus colegas hacen un llamamiento para que se construyan varios telescopios espaciales de rayos gamma lo bastante sensibles y se coloquen en órbita de tal modo que entre todos cubran la totalidad del firmamento. Con una vigilancia constante por parte de esta pequeña flota, sería posible captar los rayos gamma reveladores. Incluso han propuesto un nombre para esa flota: GALAXIS (GALactic AXion Instrument for Supernova).

El estudio se titula “Supernova Axions Convert to Gamma Rays in Magnetic Fields of Progenitor Stars”. Y se ha publicado en la revista académica Physical Review Letters. (Fuente: NCYT de Amazings)