Tecnologia Científica

Por que axions solares não podem explicar o excesso observado de XENON1T
Um dos candidatos mais promissores de matéria escura é o axion. Axions são partículas hipotéticas que foram introduzidas pela primeira vez para explicar observações incomuns relacionadas a fortes interações nucleares.
Por Ingrid Fadelli - 05/11/2020


Representação artística de uma estrela gigante vermelha emitindo axions. Acoplamentos axion-elétrons do tamanho necessário para compensar o excesso de XENON1T inevitavelmente transformariam outras estrelas, como a gigante vermelha na foto, em "faróis de axion" brilhantes, mudando drasticamente sua luminosidade e sua evolução. Crédito: Di Luzio et al.

Por várias décadas, físicos e astrofísicos teorizaram sobre a existência de matéria escura no universo. Esse tipo elusivo de matéria seria feito de partículas que não absorvem, refletem ou emitem luz e que, portanto, não podem ser detectadas por meio de instrumentos convencionais de observação de partículas.

Um dos candidatos mais promissores de matéria escura é o axion. Axions são partículas hipotéticas que foram introduzidas pela primeira vez para explicar observações incomuns relacionadas a fortes interações nucleares. Posteriormente, os físicos teóricos sugeriram que os áxions constituem partes da massa do universo que ainda não foram explicadas e, portanto, poderiam ser essencialmente matéria escura. Desde então, inúmeras equipes em todo o mundo realizaram buscas por áxions usando uma variedade de detectores poderosos e sofisticados.

Há alguns meses, um grupo de pesquisa internacional conhecido como XENON Collaboration divulgou novos dados coletados pelo XENON1T, um detector sensível de interações entre matéria escura e partículas comuns. Esses dados continham um surpreendente excesso de eventos que podem ser um indício da existência de partículas nunca antes observadas, como os áxions solares.

Pesquisadores do Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), da Universidade de Barcelona, ​​da Barry University e do Laboratori Nazionali di Frascati (INFN) examinaram recentemente os dados coletados pelo detector XENON1T na esperança de entender melhor se o excesso detectado poderia, de fato, ser um manifestação de axions solares. Os resultados de suas análises e suas considerações, publicados na Physical Review Letters , parecem descartar a possibilidade de que os axions solares estejam por trás das observações inesperadas da Colaboração XENON.

“Quando o resultado do XENON1T foi anunciado, estávamos realizando um estudo aprofundado dos efeitos da emissão de áxions de vários corpos astrofísicos”, via e-mail Luca Di Luzio, Marco Fedele, Maurizio Giannotti, Federico Mescia e Enrico Nardi, os pesquisadores No estudo, disse Phys.org, "Nós, portanto, estávamos em uma situação ideal para prontamente perceber que as propriedades específicas do axion exigidas pela explicação do XENON1T estavam em forte conflito com as observações da evolução estelar."

"Cada membro de nossa colaboração tem habilidades específicas em diferentes aspectos da física axion", disseram os pesquisadores. "Como uma colaboração, estamos atualmente realizando uma análise completa de um grande número de observáveis ​​astrofísicos, alguns dos quais exibem discrepâncias intrigantes entre previsões teóricas e observações. Embora, quando considerados isoladamente, o nível de significância de cada anomalia seja até agora moderado, um a análise global pode revelar um padrão consistente e pode apontar para uma explicação em termos de algum tipo específico de axion . "


Em seu artigo recente, Di Luzio e seus colegas mostram que a hipótese de axions solares como excesso de XENON1T não se sustenta, pois vai de encontro a observações astrofísicas anteriores. Sua esperança é que, ao descartar essa possibilidade, seu trabalho incentive outras equipes a identificar e explorar explicações alternativas. De acordo com os pesquisadores, é muito mais provável que o excesso seja o resultado de uma questão não resolvida com a configuração experimental ou uma indicação de um fenômeno físico exótico diferente.

Uma explicação do sinal anômalo XENON1T requer que os acoplamentos do axion aos
fótons e aos elétrons estejam dentro da região azul deste gráfico. No entanto, as observações
astrofísicas implicam que a região permitida para os mesmos dois acoplamentos não pode
se estender muito para fora da região vermelha. A grande separação entre as duas regiões
permitiu aos pesquisadores concluir que os dados do XENON1T não podem ser
contabilizados por axions solares. Crédito: Di Luzio et al.

"Os axions solares não podem explicar a observação anômala de XENON1T simplesmente porque, quando comparado com outros tipos de estrelas caracterizadas por densidades e temperaturas centrais muito maiores, o sol não é muito eficiente na produção de axions", explicaram os pesquisadores. "Se o excesso observado fosse interpretado como devido a axions solares, outro tipo de estrelas então superproduziria axions, eles brilhariam como 'faróis de axion' intensos, perdendo energia de seus núcleos internos a uma taxa tão grande que sua evolução seria drasticamente alterado. Isso estaria em sério conflito com muitas observações astronômicas anteriores. "
 
Um exemplo de dados astronômicos que colidem com a hipótese dos axions solares é a observação de populações estelares. Para explicar o excesso de XENON1T, na verdade, os axions solares precisariam ter parâmetros tão grandes que uma população estelar inteira, as chamadas estrelas de ramos horizontais (HB), seria muito pouco povoada. Se fosse esse o caso, nenhuma estrela HB deveria ser encontrada nos aglomerados globulares próximos, onde os pesquisadores realmente detectaram várias delas.

“Nosso estudo deve ser entendido principalmente como uma contribuição para manter os esforços da comunidade no caminho certo”, disseram os pesquisadores. "O entusiasmo inicial por uma possível 'descoberta do axion' pode ter desviado os esforços experimentais e teóricos em uma direção que é, de fato, um beco sem saída."

Além de excluir a possibilidade de que os áxions solares expliquem o excesso do XENON1T, o trabalho recente de Di Luzio e seus colegas destaca a importância de considerar cuidadosamente as implicações astrofísicas dos modelos dos axions ao tentar avaliar sua viabilidade fenomenológica. Em seu artigo, os pesquisadores enfatizam a importância da relação entre axions e astrofísica, já que as primeiras evidências da existência de axions podem vir diretamente de observações astrofísicas.

A equipe está agora conduzindo mais estudos explorando a física axion. Esses estudos se concentram em uma ampla gama de tópicos, incluindo as consequências cosmológicas e astrofísicas de axions, construção de modelos de axions e os aspectos fenomenológicos das pesquisas de axions realizadas em experimentos de laboratório e em solo.

"Cada membro de nossa colaboração tem habilidades específicas em diferentes aspectos da física axion", disseram os pesquisadores. "Como uma colaboração, estamos atualmente realizando uma análise completa de um grande número de observáveis ​​astrofísicos, alguns dos quais exibem discrepâncias intrigantes entre previsões teóricas e observações. Embora, quando considerados isoladamente, o nível de significância de cada anomalia seja até agora moderado, um a análise global pode revelar um padrão consistente e pode apontar para uma explicação em termos de algum tipo específico de axion . "

 

.
.

Leia mais a seguir