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Los axiones podrían ser el fósil del universo que los astrofísicos estaban esperando

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Encontrar el hipotético axión de la partícula podría significar descubrir por primera vez lo que sucedió en el Universo un segundo después del Big Bang, sugiere un nuevo estudio publicado en Physical Review D.

¿Qué tan lejos en el pasado del Universo podemos mirar hoy? En el espectro electromagnético, las observaciones del Fondo Cósmico de Microondas, comúnmente conocido como CMB, nos permiten retroceder casi 14 mil millones de años cuando el Universo se enfrió lo suficiente como para que los protones y electrones se combinen y formen hidrógeno neutro. El CMB nos ha enseñado mucho sobre la evolución del cosmos, pero los fotones en el CMB se liberaron 400,000 años después del Big Bang, lo que hace que aprender sobre la historia del universo antes de esta época sea extremadamente difícil.

Para abrir una nueva ventana, un trío de investigadores teóricos, incluido el investigador principal del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) de la Universidad de California, Berkeley, el profesor de física MacAdams y el científico principal de la facultad del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Hitoshi Murayama , El investigador de física del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California, Berkeley, el becario postdoctoral Jeff Dror (ahora en la Universidad de California, Santa Cruz), y el becario de investigación Miller de UC Berkeley Nicholas Rodd, miraron más allá de los fotones y en el reino de las partículas hipotéticas conocidas como axiones, que pueden haber sido emitidos en el primer segundo de la historia del Universo.

En su artículo, sugieren la posibilidad de buscar un axión análogo al CMB, un llamado Fondo de axión cósmico o CaB.

Si bien es hipotético, hay muchas razones para sospechar que el axión podría existir en nuestro Universo.

Por un lado, los axiones son una predicción genérica de la teoría de cuerdas, una de las mejores esperanzas actuales para una teoría de la gravedad cuántica. La existencia de un axión podría ayudar aún más a resolver el enigma de por qué todavía tenemos que medir un momento dipolar eléctrico para el neutrón, un problema más formalmente conocido como el "Problema de PC fuerte". Más recientemente, el axión se ha convertido en un candidato prometedor para la materia oscura y, como consecuencia, los investigadores están buscando rápidamente la materia oscura del axión.

En su artículo, los investigadores señalan que a medida que los experimentadores desarrollan instrumentos más sensibles para Search para la materia oscura, pueden tropezar con otro signo de axiones en forma de CaB. Pero debido a que el CaB comparte propiedades similares con los axiones de la materia oscura, existe el riesgo de que los experimentos arrojen la señal del CaB como ruido.

Función CaB Densidad de energía Los axiones podrían ser el fósil del universo que los astrofísicos han estado esperando
Los axiones podrían ser el fósil del universo que los astrofísicos han estado esperando 2

Encontrar el CaB en uno de estos instrumentos sería un doble descubrimiento. No solo confirmaría la existencia del axión, sino que los investigadores de todo el mundo tendrían inmediatamente un nuevo fósil del Universo temprano. Dependiendo de cómo se produjo el CaB, los investigadores podrían aprender sobre varios aspectos diferentes de la evolución del Universo nunca antes posible (Figura).

“Lo que hemos propuesto es que, al cambiar la forma en que los experimentos actuales analizan los datos, es posible que podamos buscar axiones sobrantes del universo temprano. Entonces, podríamos aprender sobre el origen de la materia oscura, la transición de fase o la inflación al comienzo del Universo. Ya hay grupos experimentales que han mostrado interés en nuestra propuesta, y espero que podamos descubrir algo nuevo sobre el Universo temprano que no se conocía antes ”, dice Murayama.

“La evolución del universo puede producir axiones con una distribución de energía característica. Al detectar la densidad de energía del universo actualmente compuesto por axiones, experimentos como MADMAX, HAYSTAC, ADMX y DMRadio podrían darnos respuestas a algunos de los acertijos más importantes de la cosmología, como, '¿Qué tan caliente se puso nuestro universo? ',' ¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura? ',' ¿Nuestro universo experimentó un período de rápida expansión conocido como inflación? 'Y' ¿Hubo alguna vez una transición de fase cósmica? '”, Dice Dror.

El nuevo estudio proporciona motivos para estar entusiasmados con el programa de materia oscura axion. Incluso si la materia oscura no está hecha de axiones, estos instrumentos pueden proporcionar una imagen del Universo cuando tenía menos de un segundo.

Este estudio fue aceptado como una "sugerencia de los editores" en la revista. Physical Review D.

Referencia: "Cosmic axion background" por Jeff A. Dror, Hitoshi Murayama y Nicholas L. Rodd, 7 de junio de 2021, Physical Review D.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.103.115004

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