Diapasón de la materia oscura: cómo los axiones afinan el cielo radioeléctrico ✛ ✎

El radiómetro ARCADE2, montado en un globo de gran altitud, detectó un exceso de emisión de radio, y el experimento terrestre EDGES, una depresión anómalamente profunda en el espectro del hidrógeno a 21 cm. Ambas señales no encajan en el modelo cosmológico estándar y apuntan a una fuente desconocida de fotones suaves. Como un diapasón afinado a la frecuencia del universo en expansión, el axión resuena con el plasma del universo temprano, convirtiéndose en fotones y dejando su huella en el cielo radioeléctrico.

En el nuevo trabajo, la conversión axión-fotón se considera en un contexto cosmológico: los autores derivaron la probabilidad de conversión desde primeros principios en un universo en expansión con la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. La inclusión del plasma otorga al fotón una masa efectiva que depende de la densidad de electrones. La resonancia ocurre cuando esta masa se iguala a la masa del axión. Para una masa de axión de 2×10⁻¹⁴ eV, la resonancia ocurre en el corrimiento al rojo z≈21.6, y para 2×10⁻¹³ eV, en z≈103.8. La simulación de campos magnéticos primordiales estocásticos con amplitud B0 de 0.1 a 1 nG mostró que las partículas similares a axiones con masa ~10⁻¹⁴–10⁻¹² eV y campos casi invariantes de escala a nivel de nanogauss explican tanto ARCADE2 como EDGES.

Con una amplitud de campo magnético B0=0.45 nG y un espectro invariante de escala, el modelo reproduce el exceso de radio ARCADE2: χ²_min≈48 para nB=−3 y nB=−2.75 con B0=0.44 nG y 0.58 nG respectivamente, con una pendiente del espectro de potencia β≈−2.34 (para χ²≲100, β∈[−2.6,−2.3]). Para explicar la depresión de EDGES, se requiere que la contribución de los fotones de axión al fondo de radiación sea ξ=5–20% con espectro invariante de escala, y ξ=40–100% con espectro casi invariante de escala debido al calentamiento por difusión ambipolar y descomposición turbulenta. Los parámetros permitidos son: masa del axión 10⁻¹⁴–10⁻¹² eV, constante de acoplamiento g_φγ~5×10⁻¹³ GeV⁻¹, campo magnético B0~0.1–0.9 nG. El modelo es consistente con las restricciones sobre campos magnéticos primordiales del CMB (B0<4.4 nG) y sobre ΔN_eff (ΔN_eff≲0.17).

Este trabajo muestra por primera vez que las observaciones globales en 21 cm pueden ser sensibles a los axiones y al magnetismo primordial, abriendo una nueva ventana a la física más allá del Modelo Estándar. En los próximos años, los experimentos LEDA, PRIZM, REACH y las misiones PIXIE, PRISM deberán precisar el espectro del fondo de radio y la señal de 21 cm. El análisis conjunto de estos datos con las restricciones sobre las distorsiones espectrales del CMB permitirá verificar las predicciones del modelo. El diapasón está afinado: solo queda escuchar el tono puro.