A evasiva partícula axion é muitas vezes mais leve que um elétron, com propriedades que mal impressionam a matéria comum. Como tal, a partícula semelhante a um fantasma é um dos principais competidores como componente da matéria escura - um hipotético, tipo invisível de matéria que se pensa constituir 85 por cento da massa do universo.

Os axions têm evitado a detecção até agora. Os físicos prevêem que, se eles existem, eles devem ser produzidos em ambientes extremos, como os núcleos de estrelas no precipício de uma supernova. Quando essas estrelas expelem axions para o universo, as partículas, ao encontrar quaisquer campos magnéticos circundantes, devem se transformar brevemente em fótons e potencialmente se revelar.

Agora, Físicos do MIT procuraram por axions em Betelgeuse, uma estrela próxima que deverá queimar como uma supernova em breve, pelo menos em escalas de tempo astrofísicas. Dada a sua morte iminente, Betelgeuse deve ser uma fábrica natural de axions, constantemente agitando as partículas à medida que a estrela se queima.

Contudo, quando a equipe procurava assinaturas esperadas de axions, na forma de fótons na banda de raios-X, sua busca não deu em nada. Seus resultados excluem a existência de axions ultraleves que podem interagir com fótons em uma ampla gama de energias. As descobertas estabeleceram novas restrições nas propriedades da partícula, que são três vezes mais fortes do que qualquer experimento anterior de detecção de axions em laboratório.

"O que nossos resultados dizem é, se você quiser procurar essas partículas realmente leves, que procuramos, eles não vão falar muito com os fótons, "diz Kerstin Perez, professor assistente de física no MIT. "Basicamente, estamos dificultando a vida de todos porque estamos dizendo, 'você vai ter que pensar em outra coisa que lhe daria um sinal de axion.' "

Perez e seus colegas publicaram seus resultados hoje em Cartas de revisão física . Seus co-autores do MIT incluem o autor principal Mengjiao Xiao, Brandon Roach, e Melaina Nynka, junto com Maurizio Giannotti da Barry University, Oscar Straniero do Observatório Astronômico de Abruzzo, Alessandro Mirizzi, do Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália, e Brian Grefenstette da Caltech.

Uma caça ao acasalamento

Muitos dos experimentos atuais que procuram axions são projetados para procurá-los como um produto do efeito Primakoff, um processo que descreve um "acoplamento" teórico entre axions e fótons. Normalmente, não se pensa que os axions interajam com os fótons - daí sua probabilidade de serem matéria escura. Contudo, o efeito Primakoff prevê que, quando os fótons são submetidos a campos magnéticos intensos, como em núcleos estelares, eles podem se transformar em axions. O centro de muitas estrelas deve, portanto, ser fábricas de axions naturais.

Quando uma estrela explode em uma supernova, deve lançar os machados para o universo. Se as partículas invisíveis entrarem em um campo magnético, por exemplo, entre a estrela e a Terra, eles devem se transformar novamente em fótons, presumivelmente com alguma energia detectável. Os cientistas estão caçando axions por meio desse processo, por exemplo, do nosso próprio sol.

"Mas o sol também tem erupções e emite raios-X o tempo todo, e é difícil de entender, "diz Perez. Ela e seus colegas procuraram axions de Betelgeuse, uma estrela que normalmente não emite raios-X. A estrela está entre as mais próximas da Terra que devem explodir em breve.

"Betelgeuse está em uma temperatura e estilo de vida em que você não espera ver raios-X saindo dela, através da astrofísica estelar padrão, "Perez explica." Mas se axions existem, e estão saindo, podemos ver uma assinatura de raio-X. É por isso que esta estrela é um bom objeto:se você vir os raios X, é um sinal fumegante de que tem que ser axions. "

'Dados são dados'

Os pesquisadores procuraram assinaturas de raios-X de áxions de Betelgeuse, usando dados obtidos por NuSTAR, Telescópio baseado no espaço da NASA que focaliza raios-X de alta energia de fontes astrofísicas. A equipe obteve 50 quilos de segundo de dados do NuSTAR durante o tempo em que o telescópio foi treinado em Betelgeuse.

Os pesquisadores então modelaram uma gama de emissões de raios-X que eles poderiam ver em Betelgeuse se a estrela estivesse cuspindo áxions. Eles consideraram uma gama de massas que um axião pode ser, bem como uma gama de probabilidades de que os áxions iriam "se acoplar" e se reconverter em um fóton, dependendo da intensidade do campo magnético entre a estrela e a Terra.

"Fora de toda essa modelagem, você obtém uma gama de como o seu sinal de raios-X de áxions poderia ser, "Perez diz.

Quando eles procuraram por esses sinais nos dados do NuSTAR, Contudo, eles não encontraram nada acima de seu histórico esperado ou fora de quaisquer fontes astrofísicas comuns de raios-X.

"Betelgeuse está provavelmente nos estágios finais de evolução e, nesse caso, deve ter uma grande probabilidade de se converter em áxions, "Xiao diz." Mas dados são dados. "

Dada a gama de condições que eles consideraram, o resultado nulo da equipe elimina um grande espaço de possibilidades e define um limite superior que é três vezes mais forte do que os limites anteriores, de pesquisas baseadas em laboratório, para o que um axion deve ser. Em essência, isso significa que se os áxions são ultraleves em massa, os resultados da equipe mostram que as partículas devem ter pelo menos três vezes menos probabilidade de se acoplar aos fótons e emitir quaisquer raios-X detectáveis.

"Se os áxions têm massas ultraleves, podemos definitivamente dizer que o acoplamento deve ser muito pequeno, caso contrário, teríamos visto, "Perez diz.

Em última análise, isso significa que os cientistas podem ter que olhar para outros, bandas de energia menos detectáveis ​​para sinais de axion. Contudo, Perez diz que a busca por axions de Betelgeuse não acabou.

"O que seria empolgante seria se víssemos uma supernova, que iria inflamar uma grande quantidade de áxions que não estariam nos raios-X, mas em raios gama, "Perez diz." Se uma estrela explode e não vemos axions, então teremos restrições realmente rigorosas sobre o acoplamento de um axião aos fótons. Então, todos estão cruzando os dedos para que Betelgeuse vá embora. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.