Nuevas ideas sobre los estallidos de rayos gamma y los fotones oscuros

Las explosiones de rayos gamma (GRBs) son destellos intensos de rayos gamma que ocurren en galaxias lejanas. Son las explosiones más poderosas del universo, liberando enormes cantidades de energía en un corto período de tiempo. Un evento en particular, conocido como GRB221009A, fue observado en octubre de 2022. Esta explosión emitió fotones de muy alta energía (VHE), que son difíciles de explicar con el modelo tradicional de la física de partículas.

#El Desafío de los Fotones de alta energía

Observatorios como LHAASO y Carpet-2 detectaron el GRB221009A a un corrimiento al rojo de 0.1505, lo que significa que proviene de una fuente muy lejana, a unos 636 millones de parsecs de distancia. Los fotones de esta explosión tenían energías superiores a 0.2 TeV (teraelectronvoltios), y algunos alcanzaron niveles incluso más altos, hasta 251 TeV. Sin embargo, estos fotones de alta energía enfrentan un gran obstáculo en su camino hacia la Tierra.

A medida que viajan a través del espacio, estos fotones interactúan con la Luz de fondo extragaláctica (EBL), que es como una niebla hecha de luz de estrellas y galaxias distantes. Esta interacción puede convertir los fotones de alta energía en pares de electrones y positrones, dificultando que lleguen a la Tierra. Por lo tanto, la observación de fotones tan energéticos plantea un desafío significativo para las teorías científicas actuales.

#La Necesidad de Nuevas Teorías

El modelo estándar de la física de partículas no explica adecuadamente cómo podrían llegar a la Tierra esos rayos gamma de tan alta energía. Se han propuesto varias teorías alternativas para dar cuenta de este fenómeno. Algunas ideas incluyen la conversión de fotones en partículas similares a axiones, descomposición de leptones neutros pesados y escenarios que violan principios establecidos de la física.

#Introduciendo Fotones Oscuros

Una nueva idea involucra el concepto de fotones oscuros, una partícula teórica que podría ayudar a explicar el evento GRB221009A. Los fotones oscuros son similares a los fotones normales pero están ligados a fuerzas ocultas en la física. Representan una forma de materia que interactúa débilmente con la materia normal. La mezcla de fotones normales con fotones oscuros podría ayudar a superar el problema de que los fotones de alta energía sean bloqueados por la EBL.

#Dimensiones Extras y Fotones Oscuros

Un aspecto intrigante de los fotones oscuros es la posibilidad de que existan en dimensiones extras, que son dimensiones más allá de las tres habituales del espacio y una del tiempo. En este concepto, mientras que las partículas normales están confinadas a un espacio de cuatro dimensiones (llamado brana), los fotones oscuros podrían viajar en este espacio de cuatro dimensiones y también en dimensiones superiores (denominadas bulk).

Cuando los fotones oscuros oscilan o se transforman en fotones normales, este proceso podría aumentar sus posibilidades de llegar a la Tierra. Esencialmente, las dimensiones extras podrían permitir que la mezcla y conversión de fotones oscuros ocurra de manera más efectiva, similar a cómo los neutrinos oscilan entre diferentes tipos.

#Proceso de Conversión Fotón-Fotón Oscuro

La propuesta es que, a medida que los fotones de alta energía del GRB221009A viajan a través del espacio intergaláctico, pueden convertirse en fotones oscuros. Esta conversión podría ocurrir debido a condiciones específicas en el medio que atraviesan. Una vez que los fotones oscuros se acercan a nuestra galaxia, pueden volver a convertirse en fotones normales, que luego podrían hacer su camino hacia la Tierra.

La clave de este proceso de conversión radica en la condición de resonancia. Cuando ciertos parámetros se alinean, la probabilidad de que los fotones se conviertan en fotones oscuros y viceversa aumenta significativamente. Esto significa que, bajo las circunstancias adecuadas, una fracción sustancial de los fotones de alta energía del GRB221009A podría llegar a la Tierra sin perder demasiada energía en interacciones con la EBL.

#El Papel de los Parámetros de Mezcla

En este contexto, el parámetro de mezcla juega un papel crucial. Determina cuán probable es que los fotones y los fotones oscuros se conviertan entre sí durante su viaje. Al ajustar este parámetro, los investigadores pueden optimizar la probabilidad de conversión de fotones para maximizar las posibilidades de detectar los fotones del GRB221009A en la Tierra.

El estudio establece que con una masa de fotón oscuro de 1 eV y valores específicos para el parámetro de mezcla, la probabilidad de detectar la explosión inicial de rayos gamma es significativamente mayor que si solo se considera el modelo estándar de la física de partículas.

#Evidencia Observacional

Las observaciones de LHAASO y otros observatorios apoyan la idea de que los fotones de alta energía pueden escapar de los efectos de supresión durante su propagación. La detección de fotones de alta energía del GRB221009A sugiere que el proceso propuesto de conversión fotón-fotón oscuro podría estar ocurriendo en la práctica. Se espera que las oscilaciones y conversiones resulten en un amplio rango de energías de fotones detectables.

Gráficas y figuras muestran cuán probable es que los fotones se conviertan en fotones oscuros a medida que viajan desde su fuente hasta la Vía Láctea. Los hallazgos sugieren que esta conversión podría suceder de manera rápida y eficiente bajo ciertas condiciones, permitiendo que una fracción significativa de los fotones de alta energía sea detectable.

#Implicaciones para la Física

La capacidad de los fotones de alta energía para llegar a la Tierra sin ser alterados fundamentalmente por la EBL tiene implicaciones más amplias para nuestro entendimiento del universo. Si el mecanismo propuesto funciona, podría sugerir que los fotones oscuros y las dimensiones extras juegan un papel más importante en los procesos cósmicos de lo que se pensaba anteriormente.

Además, el estudio de GRB221009A y explosiones similares podría llevar a restricciones más severas sobre la naturaleza de las interacciones entre brana y bulk. Estas interacciones podrían influir en las leyes fundamentales de la física, especialmente en lo que respecta a cómo se comportan e interactúan las partículas a través de las dimensiones.

#Conclusión

La observación del GRB221009A presenta un rompecabezas fascinante para los físicos. La comprensión actual de la física de partículas tiene dificultades para explicar cómo podrían llegar a nosotros esos fotones tan energéticos. El concepto de fotones oscuros y su potencial papel en dimensiones extras proporciona una vía prometedora para explorar. Al examinar cómo estas partículas podrían convertir y interactuar durante su viaje a través del espacio, obtenemos información sobre la física fundamental y la naturaleza de nuestro universo.

A medida que la investigación continúa en este campo, las implicaciones podrían replantear nuestra comprensión del cosmos y desafiar teorías establecidas. El viaje de los fotones del GRB221009A nos recuerda cuánto aún nos queda por aprender sobre el universo y los partículas ocultas que pueden estar influyendo en su comportamiento.