Divulgación Detección de una posible partícula indicio de materia oscura

[arivasm]

Leído, en primer lugar, en El País.

Más detalles en la página del proyecto, donde se puede leer esto:

Scientists from the international XENON collaboration announced today that data from their XENON1T, the world’s most sensitive dark matter experiment, show a surprising excess of events. The scientists do not claim to have found dark matter. Instead, they say to have observed an unexpected rate of events, the source of which is not yet fully understood. The signature of the excess is similar to what might result from a tiny residual amount of tritium (a hydrogen atom with one proton and two neutrons), but could also be a sign of something more exciting—such as the existence of a new particle known as the solar axion or the indication of previously unknown properties of neutrinos.

(...)

Axions are hypothetical particles that were proposed to preserve a time-reversal symmetry of the nuclear force, and the Sun may be a strong source of them. While these solar axions are not dark matter candidates, their detection would mark the first observation of a well-motivated but never observed class of new particles, with a large impact on our understanding of fundamental physics, but also on astrophysical phenomena. Moreover, axions produced in the early universe could also be the source of dark matter.

(...)

Of the three explanations considered by the XENON collaboration, the observed excess is most consistent with a solar axion signal. In statistical terms, the solar axion hypothesis has a significance of 3.5 sigma, meaning that there is about a 2/10,000 chance that the observed excess is due to a random fluctuation rather than a signal. While this significance is fairly high, it is not large enough to conclude that axions exist. The significance of both the tritium and neutrino magnetic moment hypotheses corresponds to 3.2 sigma, meaning that they are also consistent with the data.

Científicos pertenecientes a la colaboración internacional XENON anunciaron hoy que datos del experimento XENON1T, el más sensible del mundo sobre materia oscura, muestran un sorprendente exceso de sucesos. Los científicos no afirman haber encontrado materia oscura. En cambio, dicen haber observado un ritmo inesperado de eventos, cuya fuente aún non se comprende completamente. La signatura del exceso es similar a la que podría resultar de una pequeña cantidad residual de tritio (un átomo de hidrógeno con un protón y dos neutrones), pero también podrían ser señal de algo más excitante: la existencia de una nueva partícula conocida como axión solar o indicar propiedades de los neutrinos hasta ahora desconocidas.

(...)

Los axiones son partículas hipotéticas que se propusieron para preservar una simetría de inversión temporal de la fuerza nuclear, y el Sol podría ser una importante fuente de los mismos. Si bien estos axiones solares no son candidatos para materia oscura, su detección marcaría la primera observación de una clase bien motivada pero nunca observada de nuevas partículas, con un gran impacto en nuestra comprensión de la física fundamental, pero también de fenómenos astrofísicos. Además, los axiones producidos en el universo primitivo también podrían ser la fuente de la materia oscura.

(...)

De las tres explicaciones consideradas por la colaboración XENON, el exceso observado es más consistente con una señal de axión solar. En términos estadísticos, la hipótesis del axión solar tiene una significación de 3,5 sigma, lo que implica que hay alrededor de 2/10 000 posibilidades de que el exceso observado se deba a una fluctuación aleatoria más que a una señal. Aunque esta significación es bastante alta, no es lo suficientemente grande como para concluir que los axiones existen. La importancia conjunta de las otras dos hipótesis, del tritio y del momento magnético del neutrino, corresponden a 3,2 sigmas, lo que significa que también son consistentes con los datos.

El paper puede leerse aquí: https://arxiv.org/abs/2006.09721

Entrada en wikipedia sobre los axiones aquí.

[Alriga]

Lo leí la semana pasada, pero vi que Francis pinchó un poco el globo: "Se ofrecen tres explicaciones posibles: contaminación por tritio, la existencia de axiones solares y un posible momento magnético del neutrino (si fuera un fermión de Majorana). En mi opinión, no hay duda posible, todo apunta a la contaminación por tritio. Sin embargo, a algunos físicos les están haciendo palmas las orejas; sugieren que se ha descubierto física más allá del modelo estándar. Pido perdón a los optimistas, pero creo que se trata de una falsa alarma."

XENON1T observa un exceso a 3.5 sigmas para energías de retroceso entre 1 y 7 keV de origen desconocido

Ojalá Francis se equivoque y sea nueva Física.

Saludos.

[carroza]

Hola.

Efectivamente, la explicación más probable (la indican los propios autores) es la contaminación de tritio. El tritio decae en 3He produciendo un electron y un antineutrino. El electrón que se emite tiene https://www.researchgate.net/publica...s/figures?lo=1 una distribucion de energías con su máximo por debajo de 7 keV, que es donde se ve la señal de "axiones" en el experimento.

Además, la concentración de tritio requerida para explicar la señal $(6.2 \pm 2.0) 10^{-25}$ mol/mol. es plenamente consistente con la concentración medioambiental de tritio en el hidrógeno natural $10^{-18}$. Bastaría una pequeña cantidad de hidrógeno natural en los detectores, del orden de $10^{-7}$ (por ejemplo, un pelín de humedad), para tener el tritio necesario para dar la señal observada.

Como siempre, esto no quita que sea un experimento excelente, y que haya que continuar por esa línea. Pero uno debe ser escéptico con una señal tan consistente con la del ubicuo tritio.

Saludos

[Alriga]

Sobre el hipotético axión, lo poco que yo sé es lo que explicó aquí carroza :

... La "Teoría del todo", no existe, aún. Es un concepto ideal, con un nombre más bien humorístico, de una hipotética unificación de la gravedad con el modelo estándar. Por tanto, difícilmente puede predecir nada.

La "predicción" del axión proviene del modelo estándar. En concreto, una propiedad de la interacción de color entre quarks, la QCD, que a priori, podría violar la simetría CP y no lo hace. Esto, que se llama el "strong CP problem". Una de las posibles explicaciones del "strong CP problem" es sustituir el parámetro que describiría la violación de CP, por un nuevo campo, cuya partícula asociada sería el axión.

Salvando las distancias, sería algo formalmente análogo a cómo se sustituye el parámetro que da la masa de las partículas, por un campo, el campo de Higgs, que lleva asociada una partícula, que es el bosón de Higgs.

En el caso de los axiones, se sustituye el parámetro que daría la violación de CP, por un campo, que lleva asociada una partícula que es el axión. Estrictamente, no es una "predicción". Es una posible forma de explicar la no-violación de CP.

Lo atractivo de los axiones es que, si su rango de masa es adecuado (entre 1 meV y 1eV) , podría, además de explicar la no-violación de CP, dar un candidato para la materia oscura. Además, si existen axiones, se podrían observar porque modifican las ecuaciones de Maxwell de forma que, en el seno de un campo magnético intenso los axiones pueden convertirse en fotones. Por eso hay muchos investigadores buscando esos posibles axiones. Entre ellos, un grupo español basado en Zaragoza. https://arxiv.org/abs/1904.09155 , que promueve un observatorio de axiones producidos a partir de la luz del sol llamado IAXO.

Lo que se muestra en el paper que enlazas, por supuesto muy interesante, es que no se encuentran axiones con masas inferiores a $10^{-12} eV$. Por tanto, pueden haber axiones con masas superiores a $10^{-12} eV$. En concreto, en el rango entre 1 meV y 1eV que sería el más interesante desde el punto de vista de materia oscura.

El paper es muy interesante, muestra la potencialidad de obtener información sobre nuevas partículas en base a observaciones astronómicas, y delimita el posible rango de masas de los axiones, pero ni excluye los axiones, ni mucho menos, dice "adiós a la teoría del todo" ...

Y sobre el tema del posible axión, hoy ha llamado mi atención la reciente publicación en Physical Review Letters del artículo Axion Kinetic Misalignment Mechanism (Co, Harigaya)

Abstract: En el mecanismo de desalineación convencional, el campo de axiones tiene un valor de campo inicial constante en el Universo temprano y luego comienza a oscilar. Presentamos un escenario alternativo en el que el campo del axión tiene una velocidad inicial distinta de cero, lo que permite una constante de decaimiento del axión muy por debajo de la predicción convencional del axión como materia oscura. Esta velocidad del axion puede generarse a partir de la ruptura explícita de la simetría de desplazamiento del axión en el Universo temprano, cosa que puede ocurrir ya que esta simetría es aproximada.

El campo de axiones pasa rápidamente por las barreras de potencial y, finalmente, comienza a oscilar cuando la fricción lo ralentiza lo suficiente (Co, Harigaya)

Leo en la web del Institute for Advanced Study (IAS) de Princeton: En este nuevo estudio sobre el movimiento del axión, los investigadores proponen un escenario conocido como "desalineación cinética" que fortalece en gran medida el caso de la equivalencia axión / materia oscura. Al asignar una velocidad inicial distinta de cero al campo de axiones, el equipo descubrió un mecanismo, denominado desalineación cinética, que produce muchos más axiones en el universo temprano que los mecanismos convencionales. El movimiento, generado por la ruptura de la simetría de desplazamiento del axión, modifica significativamente el cálculo convencional de la abundancia de materia oscura del axión. Además, estas dinámicas permiten que la materia oscura del axión reaccione más fuertemente con la materia ordinaria, excediendo la predicción del mecanismo de desalineación convencional.

"La extensa literatura sobre el axión se basó en el supuesto de que el campo del axión es inicialmente estático en el universo temprano", afirmó Keisuke Harigaya, del Instituto de Estudios Avanzados. "En cambio, descubrimos que el campo de axiones puede ser inicialmente dinámico como consecuencia de las teorías de la gravedad cuántica con axiones".

Esta velocidad inicial distinta de cero del campo de axiones QCD además podría explicar el exceso cosmológico de materia sobre antimateria, literalmente leo en el preprint de arxiv Kinetic Misalignment Mechanism: “Besides signals in axion searches in the mass range O(0.1 − 100) meV, kinetic misalignment can provide a unified origin of dark matter and the cosmological excess of matter over antimatter Referencia: Axiogenesis (Co, Harigaya)”

"Este nuevo mecanismo de desalineación cinética predice un axión con una mayor fuerza de interacción que puede descubrirse en búsquedas experimentales planificadas", afirmó Raymond Co, de la Universidad de Michigan. "Nuestro descubrimiento de una nueva dinámica de axiones abre así caminos de investigación inexplorados para la física y cosmología de partículas teórica y experimental".

Fuente en el IAS: Case for Axion Origin of Dark Matter Gains Traction

El contenido del estudio está muy, muy lejos de mis capacidades, pero me ha parecido interesante reseñarlo por su posible interés para los compañeros físicos del foro.

Saludos.

[kartazion]

Buenas tardes,

¿Cuál es la diferencia entre el artículo descrito aquí, es este enlace de 2010?

The Case for Axion Dark Matter

[arivasm]

En el artículo que citas se trata una propuesta para una posible vía de detección indirecta de los axiones, por sus efectos sobre la estructura de los halos de un tipo de galaxias. Desconozco si algún equipo ha seguido ese camino observacionalmente. En cambio, el artículo de la cabecera del hilo sería (en caso de que la explicación no fuese otra) una detección de laboratorio de partículas.

[kartazion]

En el artículo que citas se trata una propuesta para una posible vía de detección indirecta de los axiones, por sus efectos sobre la estructura de los halos de un tipo de galaxias. Desconozco si algún equipo ha seguido ese camino observacionalmente. En cambio, el artículo de la cabecera del hilo sería (en caso de que la explicación no fuese otra) una detección de laboratorio de partículas.

Yo pensaba que la diferencia entre el nuevo artículo y este estaba relacionado con la cinética de la partícula en el fondo del pozo potencial

[Alriga]

... ¿Cuál es la diferencia entre el artículo descrito aquí, es este enlace de 2010?
The Case for Axion Dark Matter

• La diferencia entre el artículo 1.Axion Kinetic Misalignment Mechanism (Co, Harigaya) y el 2.The Case for Axion Dark Matter es la que te ha señalado arivasm en el post#6: el 1 es un artículo de Física teórica que propone un nuevo mecanismo para el axión, mientras que 2 expone métodos experimentales para distinguir axiones de otros posibles componentes de la materia oscura en halos galácticos.

• La diferencia entre el artículo 1 y otros artículos teóricos anteriores, radica en que en los anteriores la velocidad inicial era considerada cero $\boldsymbol{\dot \theta_i=0}$ mientras que el artículo 1 propone que $\boldsymbol{\dot \theta_i > 0}$ como se ve en el primer dibujo del paper:

Saludos.