Representação artística de uma estrela gigante vermelha emitindo axions. Acoplamentos axion-elétrons do tamanho necessário para compensar o excesso de XENON1T inevitavelmente transformam outras estrelas, como o gigante vermelho na foto, em "faróis 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. Este tipo indescritível de matéria seria feito de partículas que não absorvem, refletem ou emitem luz, e isso, portanto, não pode ser detectado usando instrumentos convencionais para observar 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. Subseqüentemente, físicos teóricos sugeriram que os axions constituem partes da massa do universo que ainda não foram explicadas e poderiam, portanto, ser essencialmente matéria escura. Desde então, incontáveis equipes em todo o mundo realizaram buscas por axions usando uma variedade de detectores poderosos e sofisticados.
Há poucos meses atrás, um grupo de pesquisa internacional conhecido como Colaboração XENON lançou 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 axions solares.
Pesquisadores da Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Universidade de Barcelona, A Barry University e o Laboratori Nazionali di Frascati (INFN) examinaram recentemente os dados coletados pelo detector XENON1T com a esperança de entender melhor se o excesso detectado poderia, na verdade, ser uma manifestação de axions solares. Os resultados de suas análises e suas considerações, publicado em Cartas de revisão física , parecem descartar a possibilidade de que áxions 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 axions de vários corpos astrofísicos, " via email, Luca Di Luzio, Marco Fedele, Maurizio Giannotti, Federico Mescia e Enrico Nardi, os pesquisadores que realizaram o estudo, disse ao Phys.org, "Portanto, estávamos em uma situação ideal para perceber prontamente que as propriedades específicas do axion exigidas pela explicação do XENON1T estavam em forte conflito com as observações da evolução estelar."
Em seu artigo recente, Di Luzio e seus colegas mostram que a hipótese de axions solares como excesso de XENON1T não se sustenta, uma vez que colide com observações astrofísicas anteriores. Sua esperança é que, ao descartar essa possibilidade, seu trabalho encorajará 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 axião aos fótons e aos elétrons estejam dentro da região azul deste gráfico. Contudo, 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 do XENON1T simplesmente porque, quando comparada com outros tipos de estrelas caracterizadas por densidades e temperaturas de núcleo muito maiores, o sol não é muito eficiente na produção de axions, "os pesquisadores explicaram." Se o excesso observado fosse interpretado como devido a axions solares, outro tipo de estrela então superproduziria axions, eles brilhariam como faróis de axion intensos, 'perdendo energia de seus núcleos internos em uma taxa tão grande que sua evolução seria drasticamente alterada. 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, axions solares precisariam ter parâmetros tão grandes que toda uma população estelar, as chamadas estrelas de ramificação horizontal (HB), seria muito pouco povoado. Se fosse esse o caso, nenhuma estrela HB deve ser encontrada nos aglomerados globulares próximos, onde os pesquisadores realmente detectaram vários deles.
“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, na verdade, um beco sem saída. "
Além de excluir a possibilidade de que os áxions solares explicam o excesso de XENON1T, o trabalho recente conduzido por Di Luzio e seus colegas destaca a importância de considerar cuidadosamente as implicações astrofísicas dos modelos axion ao tentar avaliar sua viabilidade fenomenológica. Em seu jornal, os pesquisadores enfatizam a importância da relação entre axions e astrofísica, já que a primeira evidência da existência de axions poderia 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 dos axions, construção do modelo axion e os aspectos fenomenológicos das buscas axion realizadas em laboratório e experimentos baseados 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 considerado isoladamente, o nível de significância de cada anomalia seja até agora moderado, uma análise global pode revelar um padrão consistente, e pode apontar para uma explicação em termos de algum tipo específico de axion. "
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