La búsqueda de la materia oscura: Axiones y púlsares
Los científicos exploran axiones ultraligeros usando púlsares para resolver el misterio de la materia oscura.
N. K. Porayko, P. Usynina, J. Terol-Calvo, J. Martin Camalich, G. M. Shaifullah, A. Castillo, D. Blas, L. Guillemot, M. Peel, C. Tiburzi, K. Postnov, M. Kramer, J. Antoniadis, S. Babak, A. -S. Bak Nielsen, E. Barausse, C. G. Bassa, C. Blanchard, M. Bonetti, E. Bortolas, P. R. Brook, M. Burgay, R. N. Caballero, A. Chalumeau, D. J. Champion, S. Chanlaridis, S. Chen, I. Cognard, G. Desvignes, M. Falxa, R. D. Ferdman, A. Franchini, J. R. Gair, B. Goncharov, E. Graikou, J. -M. Grießmeier, Y. J. Guo, H. Hu, F. Iraci, D. Izquierdo-Villalba, J. Jang, J. Jawor, G. H. Janssen, A. Jessner, R. Karuppusamy, E. F. Keane, M. J. Keith, M. A. Krishnakumar, K. Lackeos, K. J. Lee, K. Liu, Y. Liu, A. G. Lyne, J. W. McKee, R. A. Main, M. B. Mickaliger, I. C. Niţu, A. Parthasarathy, B. B. P. Perera, D. Perrodin, A. Petiteau, A. Possenti, H. Quelquejay Leclere, A. Samajdar, S. A. Sanidas, A. Sesana, L. Speri, R. Spiewak, B. W. Stappers, S. C. Susarla, G. Theureau, E. van der Wateren, A. Vecchio, V. Venkatraman Krishnan, J. Wang, L. Wang, Z. Wu
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Tabla de contenidos
La Materia Oscura es uno de los grandes misterios de la ciencia moderna. Aunque no podemos verla ni tocarla, sabemos que existe por cómo afecta a cosas que sí podemos observar, como estrellas y galaxias. Imagina que intentas resolver un rompecabezas con piezas que faltan. Eso es lo que los científicos hacen cuando tratan de averiguar qué es la materia oscura. Uno de los candidatos más emocionantes para la materia oscura es algo llamado axiones ultraligeros, que suena como personajes de una película de ciencia ficción, pero en realidad son partículas diminutas que podrían ayudar a explicar la masa oculta del universo.
La naturaleza misteriosa de la materia oscura
Para entender la materia oscura, tienes que imaginar un universo lleno de cosas invisibles. Los científicos creen que aproximadamente el 27% del universo está hecho de materia oscura. ¿Y el resto? Eso es principalmente materia ordinaria, la que conocemos—como estrellas, planetas, y tu pizza que sobró.
Pero aquí está el truco: no podemos ver la materia oscura. Sabemos que está ahí por sus efectos gravitacionales. Atrae y moldea galaxias y cúmulos, como un titiritero moviendo hilos. La gente ha propuesto muchas ideas sobre qué podría ser la materia oscura, y una de las más intrigantes son los axiones ultraligeros.
¿Qué son los axiones?
Imagina una partícula tan ligera que apenas tiene masa. Esos son los axiones, que son partículas hipotéticas que podrían ayudar a resolver el misterio de la materia oscura. Se introdujeron por primera vez en los años 70 para explicar un problema diferente en la física, pero rápidamente se convirtieron en un candidato prometedor para la materia oscura.
Piensa en los axiones como los primos tímidos de otras partículas. No les gusta interactuar con nada, lo que los hace muy difíciles de detectar. Pero si pudiéramos encontrarlos, podría cambiar nuestra comprensión del universo.
El papel de los pulsars
Ahora, vamos a meter algunos pulsars en la mezcla. Un pulsar es como un faro cósmico, enviando haces de radiación al espacio. Imagina que estás en la playa, y alguien está moviendo una linterna en el aire. Si estás en el lugar correcto, verás la luz. Los pulsars son similares, y nos ayudan a detectar cambios en cosas como la radiación y la Polarización.
La polarización es una forma en que las ondas de luz pueden estar orientadas en una dirección específica. Cuando la luz viaja a través de un medio afectado por axiones, su polarización puede cambiar. Al observar la luz de los pulsars, los científicos pueden buscar Señales de axiones.
¿Cómo buscamos axiones?
Para encontrar estos esquivos axiones, los científicos analizan la luz que proviene de los pulsars. Buscan cambios sutiles en la polarización de la luz. No es fácil; es como intentar escuchar un susurro débil en una habitación llena de gente.
Usan técnicas avanzadas para filtrar toneladas de datos, con la esperanza de captar un vistazo de los efectos de los axiones. Un método que utilizan se llama el periodograma de Lomb-Scargle. Ayuda a los científicos a encontrar señales periódicas en sus datos, como sintonizar una radio para encontrar una estación específica.
Hasta ahora, los investigadores han mirado muchos pulsars, tratando de detectar señales que podrían indicar la presencia de axiones. Recopilan datos de varios radiotelescopios en Europa, que actúan como grandes oídos escuchando los débiles sonidos de los axiones.
Los desafíos de detectar materia oscura
Detectar materia oscura no es un paseo en el parque. Es como intentar atrapar humo con las manos desnudas. Hay muchos factores que pueden interferir con las señales que los investigadores esperan encontrar. Estos incluyen otras fuentes cósmicas, como las ondas de radio emitidas por estrellas cercanas e incluso la ionosfera, que puede distorsionar las señales que pasan a través de ella.
Incluso con las mejores herramientas y métodos, a veces los investigadores encuentran señales que no son de materia oscura en absoluto. Podrían ser solo artefactos del equipo o interferencias de otras fuentes. Así que necesitan ser cuidadosos y metódicos en su búsqueda.
Los resultados hasta ahora
Los esfuerzos recientes para encontrar axiones ultraligeros están en curso y han producido algunos resultados interesantes. Por ejemplo, los investigadores han analizado datos de 12 de los pulsars más brillantes, buscando signos de cambios en la polarización.
Los hallazgos hasta ahora han sido tanto emocionantes como un poco desalentadores. Aunque se detectaron algunas señales, en su mayoría apuntaron a interferencias y no a la presencia de axiones. Por ahora, los científicos han establecido límites superiores en la posible fuerza de interacción entre axiones y luz. Esto significa que aún pueden descartar ciertos aspectos de los axiones, pero no han encontrado la prueba definitiva aún.
El futuro de la investigación sobre axiones
Los científicos no se rinden. La búsqueda de axiones ultraligeros continuará, y la nueva tecnología podría proporcionar mejores formas de buscar estas partículas. La búsqueda de entender la materia oscura refleja la búsqueda del Santo Grial de la física, donde cada descubrimiento proporciona una pieza del rompecabezas, y cada fracaso los acerca a la verdad.
Los estudios futuros pueden involucrar telescopios más avanzados y nuevas técnicas, abriendo puertas a nuevos descubrimientos. A medida que se reúnan más datos y la tecnología mejore, la búsqueda de axiones podría finalmente dar resultados que podrían explicar los misterios de la materia oscura.
Conclusión
El viaje de averiguar de qué está hecha la materia oscura sigue siendo un viaje emocionante. Los axiones ultraligeros representan un destello de esperanza en esta misión, y los pulsars ofrecen una herramienta única para esta aventura tan emocionante. Mientras los investigadores escanean los cielos, no solo buscan estas pequeñas partículas, sino que también empujan los límites de la comprensión humana del universo.
Así que, aunque la materia oscura siga siendo esquiva, la búsqueda de respuestas alimenta la exploración científica, recordándonos que incluso los mayores misterios pueden inspirar increíbles viajes de descubrimiento. ¿Quién sabe? Tal vez un día, miraremos hacia atrás a estos primeros esfuerzos con una sonrisa, pensando en cómo una vez intentamos atrapar un susurro en el viento cósmico.
Fuente original
Título: Searches for signatures of ultra-light axion dark matter in polarimetry data of the European Pulsar Timing Array
Resumen: Ultra-light axion-like particles (ALPs) can be a viable solution to the dark matter problem. The scalar field associated with ALPs, coupled to the electromagnetic field, acts as an active birefringent medium, altering the polarisation properties of light through which it propagates. In particular, oscillations of the axionic field induce monochromatic variations of the plane of linearly polarised radiation of astrophysical signals. The radio emission of millisecond pulsars provides an excellent tool to search for such manifestations, given their high fractional linear polarisation and negligible fluctuations of their polarisation properties. We have searched for the evidence of ALPs in the polarimetry measurements of pulsars collected and preprocessed for the European Pulsar Timing Array (EPTA) campaign. Focusing on the twelve brightest sources in linear polarisation, we searched for an astrophysical signal from axions using both frequentist and Bayesian statistical frameworks. For the frequentist analysis, which uses Lomb-Scargle periodograms at its core, no statistically significant signal has been found. The model used for the Bayesian analysis has been adjusted to accommodate multiple deterministic systematics that may be present in the data. A statistically significant signal has been found in the dataset of multiple pulsars with common frequency between $10^{-8}$ Hz and $2\times10^{-8}$ Hz, which can most likely be explained by the residual Faraday rotation in the terrestrial ionosphere. Strong bounds on the coupling constant $g_{a\gamma}$, in the same ballpark as other searches, have been obtained in the mass range between $6\times10^{-24}$ eV and $5\times10^{-21}$ eV. We conclude by discussing problems that can limit the sensitivity of our search for ultra-light axions in the polarimetry data of pulsars, and possible ways to resolve them.
Autores: N. K. Porayko, P. Usynina, J. Terol-Calvo, J. Martin Camalich, G. M. Shaifullah, A. Castillo, D. Blas, L. Guillemot, M. Peel, C. Tiburzi, K. Postnov, M. Kramer, J. Antoniadis, S. Babak, A. -S. Bak Nielsen, E. Barausse, C. G. Bassa, C. Blanchard, M. Bonetti, E. Bortolas, P. R. Brook, M. Burgay, R. N. Caballero, A. Chalumeau, D. J. Champion, S. Chanlaridis, S. Chen, I. Cognard, G. Desvignes, M. Falxa, R. D. Ferdman, A. Franchini, J. R. Gair, B. Goncharov, E. Graikou, J. -M. Grießmeier, Y. J. Guo, H. Hu, F. Iraci, D. Izquierdo-Villalba, J. Jang, J. Jawor, G. H. Janssen, A. Jessner, R. Karuppusamy, E. F. Keane, M. J. Keith, M. A. Krishnakumar, K. Lackeos, K. J. Lee, K. Liu, Y. Liu, A. G. Lyne, J. W. McKee, R. A. Main, M. B. Mickaliger, I. C. Niţu, A. Parthasarathy, B. B. P. Perera, D. Perrodin, A. Petiteau, A. Possenti, H. Quelquejay Leclere, A. Samajdar, S. A. Sanidas, A. Sesana, L. Speri, R. Spiewak, B. W. Stappers, S. C. Susarla, G. Theureau, E. van der Wateren, A. Vecchio, V. Venkatraman Krishnan, J. Wang, L. Wang, Z. Wu
Última actualización: 2024-12-03 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2412.02232
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2412.02232
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
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