NuSTAR as an Axion Helioscope: probing axion-nucleon and axion-electron couplings

Resumen Técnico: NuSTAR como Helioscopio de Axiones

Problema y Motivación
Los axiones y las partículas similares a axiones (ALP) son pseudoscalares hipotéticos propuestos para resolver el problema de CP fuerte y servir como candidatos a materia oscura. Aunque su acoplamiento a fotones ($g_{a\gamma}$) está bien estudiado mediante helioscopios como el Telescopio Solar de Axiones del CERN (CAST), los modelos genéricos de ALP también predicen acoplamientos a electrones ($g_{ae}$) y nucleones ($g_{aN}$). Análisis previos de datos de rayos X solares, específicamente del Telescopio de Espectroscopía Nuclear (NuSTAR), se centraron exclusivamente en el mecanismo de producción de Primakoff (conversión de fotón a axión en el núcleo solar). Sin embargo, estos estudios no tuvieron en cuenta la producción de axiones mediada por interacciones axión-electrón o axión-nucleón, las cuales podrían dominar el flujo de axiones solares en regímenes de parámetros específicos. Este trabajo aborda esa brecha extendiendo el análisis de NuSTAR para incluir estos canales de producción adicionales, explorando así el producto de los acoplamientos $g_{ae} \cdot g_{a\gamma}$ y $g_{aN} \cdot g_{a\gamma}$.

Metodología
El estudio utiliza observaciones de rayos X del Sol en calma tomadas por NuSTAR el 21 de febrero de 2020, durante el mínimo solar. El análisis se centra en dos regiones distintas: una región fuente (un círculo de radio $0.1 R_\odot$ centrado en el Sol) y una región de fondo (un anillo desde $0.15 R_\odot$ hasta $0.30 R_\odot$).

1. Modelos de Producción de Axiones:
   • Efecto Primakoff: Los fotones térmicos en el núcleo solar se convierten en axiones mediante interacción con los campos eléctricos de iones y electrones.
   • Acoplamiento Axión-Electrón: La producción ocurre mediante frenado (bremsstrahlung), dispersión Compton, desexcitación axiónica y recombinación axiónica (procesos BCA).
   • Acoplamiento Axión-Nucleón: La producción está dominada por transiciones nucleares, específicamente la transición magnética M1 de $^{57}\text{Fe}$ a 14.4 keV, ya que el frenado nucleón-nucleón está suprimido en el interior solar.
2. Mecanismo de Conversión: Los axiones producidos viajan a la atmósfera solar, donde pueden convertirse nuevamente en fotones de rayos X mediante el efecto Primakoff en el campo magnético solar. La probabilidad de conversión se calcula utilizando modelos para el campo magnético solar (combinando simulaciones de magnetoconvección para la fotosfera y simulaciones MHD para la corona) y perfiles de densidad de plasma.
3. Análisis de Datos: El análisis abarca un rango de energía de 4–15 keV, extendiendo la ventana anterior de 4–11 keV para capturar la línea de 14.4 keV de $^{57}\text{Fe}$. La señal de fotones esperada se modela como una función de los acoplamientos. Se emplea un marco estadístico bayesiano, tratando los conteos observados en las regiones fuente y de fondo como variables de Poisson. La verosimilitud se construye para restringir el producto de acoplamientos ($g_{a\gamma} \cdot g_{aY}$) en regímenes donde el flujo de Primakoff es subdominante, y para mapear el plano completo $(g_{a\gamma}, g_{aY})$.

Contribuciones Clave

• Extensión de Canales de Producción: El artículo es el primero en incorporar la producción de axiones mediante acoplamientos a electrones y nucleones en el marco de búsqueda de axiones solares de NuSTAR.
• Rango de Energía Ampliado: Al extender el análisis hasta 15 keV, el estudio captura los componentes espectrales más duros relevantes para la producción acoplada a nucleones y la línea específica de 14.4 keV de $^{57}\text{Fe}$.
• Sistemáticas Robustas: Los autores enfatizan que utilizar el Sol como objetivo ofrece un mejor control sobre las incertidumbres sistemáticas en comparación con otras sondas astrofísicas (por ejemplo, enanas blancas o supernovas), ya que la estructura solar y los campos magnéticos están comparativamente bien restringidos.

Resultados
El análisis deriva límites superiores al 95% de nivel de confianza (CL) sobre los productos de acoplamiento relevantes para masas de axiones $m_a \lesssim 10^{-6}$ eV:

• Acoplamiento Axión-Electrón: El producto de acoplamientos se restringe a $g_{ae} \cdot g_{a\gamma} \lesssim 1.1 \times 10^{-24} \text{ GeV}^{-1}$.
• Acoplamiento Axión-Nucleón: El producto de acoplamientos se restringe a $g_{aN}^{\text{eff}} \cdot g_{a\gamma} \lesssim 2.3 \times 10^{-19} \text{ GeV}^{-1}$.

Estas restricciones se presentan en los planos $(g_{a\gamma}, g_{ae})$ y $(g_{a\gamma}, g_{aN}^{\text{eff}})$, mostrando regiones de exclusión que interpolan entre el régimen dominado por Primakoff y los regímenes dominados por el acoplamiento a electrones/nucleones. Los resultados mejoran significativamente los límites de laboratorio actuales de CAST y CUORE en el rango de masas especificado, acercándose a la sensibilidad proyectada del helioscopio de próxima generación IAXO para el canal de nucleones.

Significado
El artículo establece las observaciones de rayos X solares como un método poderoso y robusto para la búsqueda de axiones, particularmente para restringir los acoplamientos a electrones y nucleones. Los límites derivados exploran una región sustancial del espacio de parámetros actualmente inaccesible para experimentos basados en tierra. Aunque algunos límites astrofísicos (por ejemplo, de enanas blancas o supernovas) penetran más profundamente en el espacio de parámetros, los autores señalan que estos dependen de modelado estelar menos seguro. En contraste, los límites de NuSTAR ofrecen un complemento controlado por sistemáticas a estas sondas. Se identifica que el conjunto de datos de 2020 probablemente seguirá siendo los mejores datos disponibles de satélites de rayos X para estudios de axiones solares hasta el próximo mínimo solar alrededor de 2030.