Los Datos del Chandra Prueban la «Teoría del Todo»

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Una de las ideas más importantes en física es la posibilidad de que todas las fuerzas, partículas e interacciones conocidas puedan conectarse en un mismo marco teórico. La teoría de cuerdas es posiblemente la propuesta más conocida para una «teoría del todo» que uniría nuestra comprensión del universo físico.

A pesar de tener muchas versiones diferentes de la teoría de cuerdas circulando por la comunidad física durante décadas, ha habido muy pocas pruebas experimentales. Los astrónomos que utilizan el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, sin embargo, ahora han dado un paso significativo en esta área.

Al buscar en los cúmulos de galaxias, las estructuras más grandes del universo unidas por la gravedad, los investigadores pudieron buscar una partícula específica que muchos modelos de la teoría de cuerdas predicen que debería existir. Si bien la no detección resultante no descarta por completo la teoría de cuerdas, sí da un golpe a ciertos modelos dentro de esa familia de ideas.

«Hasta hace poco no tenía idea de cuánto aportan los astrónomos de rayos X a la teoría de cuerdas, pero podríamos desempeñar un papel importante», dijo Christopher Reynolds, de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, quien dirigió el estudio. «Si finalmente se detectan estas partículas, cambiaría la física para siempre».

La partícula que Reynolds y sus colegas estaban buscando se llama «axión». Estas partículas aún no detectadas deberían tener masas extraordinariamente bajas. Los científicos no conocen el rango de masa preciso, pero muchas teorías presentan masas de axiones que van desde aproximadamente una millonésima parte de la masa de un electrón hasta la masa cero. Algunos científicos piensan que los axiones podrían explicar el misterio de la materia oscura, que representa la gran mayoría de la materia en el universo.

Una propiedad inusual de estas partículas de masa ultrabaja sería que a veces podrían convertirse en fotones (es decir, paquetes de luz) a medida que pasan a través de campos magnéticos. Lo contrario también puede ser cierto: los fotones también pueden convertirse en axiones bajo ciertas condiciones. La frecuencia con la que ocurre este cambio depende de la facilidad con que realizan esta conversión, en otras palabras, de su «convertibilidad».

Algunos científicos han propuesto la existencia de una clase más amplia de partículas de masa ultrabaja con propiedades similares a los axiones. Los axiones tendrían un solo valor de convertibilidad en cada masa, pero las «partículas similares a axiones» tendrían un rango de convertibilidad en la misma masa.

«Si bien puede parecer una posibilidad remota buscar partículas diminutas como axiones en estructuras gigantes como cúmulos de galaxias, en realidad son excelentes lugares para mirar», dijo el coautor David Marsh, de la Universidad de Estocolmo en Suecia. “Los cúmulos de galaxias contienen campos magnéticos en distancias gigantes, y también a menudo contienen fuentes de rayos X brillantes. En conjunto, estas propiedades aumentan las posibilidades de que la conversión de partículas similares a axiones sea detectable «.

Para buscar signos de conversión por partículas similares a axiones, el equipo de astrónomos examinó durante cinco días las observaciones en rayos X hechas por el Chandra del material que caía hacia el agujero negro supermasivo en el centro del cúmulo de galaxias Perseo. Estudiaron el espectro del Chandra, o la cantidad de emisión de rayos X observada a diferentes energías, de esta fuente. La larga observación y la brillante fuente de rayos X dieron un espectro con suficiente sensibilidad para haber mostrado distorsiones que los científicos esperaban detectar si hubiera partículas similares a los axiones.

La falta de detección de tales distorsiones permitió a los investigadores descartar la presencia de la mayoría de los tipos de partículas similares a los axiones en el rango de masa a la que sus observaciones eran sensibles, por debajo de aproximadamente una millonésima de una billonésima parte de la masa de un electrón.

«Nuestra investigación no descarta la existencia de estas partículas, pero definitivamente no ayuda a su caso», dijo la coautora Helen Russell, de la Universidad de Nottingham en el Reino Unido. «Estas restricciones profundizan en el rango de propiedades sugeridas por la teoría de cuerdas y pueden ayudar a los teóricos de cuerdas a desmalezar sus teorías».

El último resultado fue aproximadamente tres o cuatro veces más sensible que la mejor búsqueda previa de partículas similares a los axiones, que provino de las observaciones del Chandra del agujero negro supermasivo en M87. Este estudio de Perseo también es aproximadamente cien veces más poderoso que las mediciones actuales que se pueden realizar en los laboratorios aquí en la Tierra para el rango de masas que han considerado.

Claramente, una posible interpretación de este trabajo es que no existen partículas similares a los axiones. Otra explicación es que las partículas tienen valores de convertibilidad aún más bajos que el límite de detección de esta observación, y más bajos de lo que algunos físicos de partículas esperaban. También podrían tener masas más altas que las probadas con los datos del Chandra.

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