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Investigadores españoles establecen nuevos límites para los axiones QCD a través del enfriamiento de estrellas de neutrones

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enero 14, 2025

Las estrellas de neutrones, los remanentes de estrellas masivas tras una explosión de supernova, han sido objeto de numerosos estudios que buscan desvelar la física exótica que podría regir su comportamiento. Estos cuerpos celestes, considerados entre los más densos del universo, presentan condiciones extremas de temperatura y presión, lo que los convierte en laboratorios naturales para la investigación astrofísica.

Recientemente, un grupo de investigadores de la Universidad de Alicante y la Universidad Técnica de Múnich ha llevado a cabo simulaciones sobre el proceso de enfriamiento de las estrellas de neutrones, explorando el impacto que podrían tener los axiones de cromodinámica cuántica (QCD) en sus propiedades. Los axiones son partículas elementales hipotéticas que emergen del mecanismo de Peccei-Quinn, y su interacción con los nucleones podría alterar la estructura de estas estrellas, afectando así su enfriamiento.

El trabajo, publicado en Physical Review Letters, establece nuevas restricciones sobre los axiones QCD ligeros, lo que podría tener implicaciones significativas para futuras búsquedas de estas partículas exóticas. Según Antonio Gómez-Bañón, primer autor del estudio, «nos dimos cuenta de que, si el axión es lo suficientemente ligero, podría alterar el tamaño de la envoltura de una estrella de neutrones, una capa externa que regula su enfriamiento».

Simulaciones y descubrimientos

El objetivo principal del estudio fue determinar si la influencia del axión QCD en la envoltura de una estrella de neutrones podría acelerar significativamente su enfriamiento, un hallazgo que contradice observaciones anteriores. Para ello, los investigadores analizaron cómo un axión QCD podría modificar la energía y la presión de la materia nuclear dentro de estas estrellas.

Gómez-Bañón explicó que «al aprovechar este entendimiento, resolvimos las ecuaciones diferenciales que describen el equilibrio de fuerzas entre el campo axión QCD, la materia nuclear y la gravedad dentro de una estrella de neutrones». Los resultados mostraron que, bajo ciertas condiciones, la envoltura de la estrella se vuelve considerablemente más delgada.

Las simulaciones sugieren que una envoltura más delgada implica menos aislamiento térmico, lo que provoca un enfriamiento más rápido de la estrella. Al implementar sus ecuaciones de equilibrio en la simulación de enfriamiento, los investigadores observaron que las curvas de enfriamiento predecían estrellas más frías de lo que se había observado para una determinada edad, lo que permite establecer nuevas restricciones sobre los parámetros del axión QCD.

El trabajo del equipo de Gómez-Bañón excluye nuevas regiones dentro del espacio de parámetros del axión QCD y presenta un enfoque alternativo para establecer restricciones sobre estas partículas hipotéticas, basado en observaciones de estrellas de neutrones. «A diferencia de los límites previos basados en la emisión de axiones y la pérdida de energía, nuestro enfoque se centra en cómo el campo axión QCD altera la estructura de la estrella de neutrones», añadió Gómez-Bañón.

Los investigadores planean en sus próximos estudios buscar escenarios astrofísicos que puedan restringir «la línea de axión QCD», una región de masas de axiones donde residen muchos modelos teóricamente motivados, pero que resulta difícil de explorar. Descartar partes de esta región supondría un avance significativo en el entendimiento de estas partículas exóticas.

Más información:
Antonio Gómez-Bañón et al, Constraining Light QCD Axions with Isolated Neutron Star Cooling, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.251002.

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