Una investigación realizada por científicos de la Universidad de Granada puede contribuir a determinar la naturaleza de la materia oscura, uno de los mayores misterios de la Física que, como es sabido por sus efectos gravitatorios, constituye más del 80% de la masa del universo.
En un artículo publicado en la prestigiosa Physical Review Letters, Adrián Ayala y su directora de tesis Inmaculada Domínguez, ambos pertenecientes al grupo FQM-292 Evolución Estelar y Nucleosíntesis de la UGR, han logrado poner límites a las propiedades de una de las partículas teóricas candidatas a materia oscura: los axiones.
El axión es una partícula subatómica cuya existencia (todavía no demostrada) fue postulada por la teoría de Peccei-Quinn en 1977, según la cual sería una partícula de masa muy pequeña y sin carga eléctrica.
En el trabajo, los científicos han utilizado las estrellas como laboratorios de física de partículas: A las altas temperaturas del interior estelar, los fotones pueden convertirse en axiones que escapan al exterior, llevándose energía.
“Esta pérdida de energía puede tener consecuencias, observables o no, en algunas fases de la evolución estelar”, explica Adrián Ayala en la nota de prensa de la UGR. “En nuestro trabajo, hemos realizado simulaciones numéricas (por ordenador) de la evolución de una estrella, desde su nacimiento hasta que agota en su interior el hidrógeno y posteriormente el helio, incluyendo los procesos de producción de axiones”.
Los resultados indican que la emisión de axiones puede disminuir significativamente el tiempo de la combustión central de helio, la llamada fase HB (Horizontal Branch, rama horizontal): la energía que se llevan los axiones se compensa con energía procedente de la combustión nuclear, consumiéndose el helio más rápidamente.
“Basándonos en esta influencia sobre los tiempos característicos de evolución, podemos acotar la emisión de axiones, ya que una emisión alta implica una fase HB rápida, disminuyendo la probabilidad de observar estrellas en esta fase”, afirma Inmaculada Dominguez.
Tasa máxima de emisión de axiones
La alta calidad de las observaciones recientes de cúmulos globulares permite contrastar los resultados de las simulaciones numéricas realizadas en este trabajo con los datos. “Comparando el número de estrellas observadas en la fase HB con el número de estrellas observadas en otra fase no afectada por los axiones, como la fase llamada RGB (Red Giant Branch), hemos estimado la tasa máxima de emisión de axiones.”
La producción de axiones depende de la constante de acoplamiento axión-fotón que caracteriza la interacción entre el axión y los fotones. “Hemos obtenido un límite máximo para esta constante que es el más restrictivo de los hallados hasta la fecha, tanto teórica como experimentalmente”, señalan los investigadores de la UGR.
Los autores de este trabajo apuntan que la precisión en la determinación de la constante de acoplamiento por el método utilizado “depende críticamente de la precisión con que se pueda estimar el contenido de helio inicial de las estrellas del cúmulo globular”.
En el trabajo también han participado Maurizio Giannotti (Universidad de Barry, Estados Unidos), Alessandro Mirizzi (Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY, Alemania) y Oscar Straniero (Instituto Nacional de Astrofísica, INAF-Observatorio Astronómico de Teramo, Italia). Esta investigación es una muestra de la cada vez más intensa colaboración entre físicos de partículas y astrofísicos, que da lugar a una ciencia relativamente nueva: la denominada “física de astropartículas”.
Referencia bibliográfica:
Adrián Ayala, Inma Domínguez, Maurizio Giannotti, Alessandro Mirizzi y Oscar Straniero: Revisiting the Bound on Axion-Photon Coupling from Globular Clusters. Phys. Rev. Lett. (2014). DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.191302