HAWC ha sido una pieza clave en la astrofísica de altas energías. Durante su primera década de operación, no solo ha generado una gran cantidad de datos sobre fuentes astrofísicas, sino que también ha desempeñado un papel esencial en la exploración de la física más allá del Modelo Estándar (BSM, por sus siglas en inglés). A continuación se abordan algunos de los principales logros científicos de HAWC relacionados con la física BSM.
La materia oscura es una de las incógnitas más grandes de la física moderna. Se trata de una forma de materia que no emite, absorbe ni refleja luz, pero cuya presencia se infiere a partir de sus efectos gravitacionales en galaxias y cúmulos de galaxias. Se estima que la materia oscura constituye aproximadamente 27 por ciento del contenido total de energía del universo. HAWC ha explorado posibles firmas indirectas de materia oscura a través de la detección de rayos gamma procedentes de regiones de alta densidad de materia oscura, como el centro galáctico y galaxias satélites de la Vía Láctea. En particular, la búsqueda de estas señales en regiones de alta densidad de materia oscura, como el centro galáctico, galaxias enanas y galaxias satélites de la Vía Láctea, ha permitido establecer límites en la sección eficaz de aniquilación de Partículas Masivas que Interactúan Débilmente (WIMPs) en un intervalo de 10-26 a 10-23 cm³/s. Estos resultados han complementado estudios previos de otros experimentos terrestres y espaciales. Sin embargo, los WIMPs no son los únicos candidatos a constituir la materia oscura. Los axiones o partículas tipo axiones (ALPs) han sido propuestos como soluciones a problemas en la cromodinámica cuántica y como posibles constituyentes de la materia oscura. HAWC ha contribuido a la exploración de ALPs mediante la búsqueda de su conversión en fotones dentro de campos magnéticos intensos, un fenómeno que podría manifestarse en la emisión de rayos gamma de muy alta energía. Estas búsquedas han motivado estudios detallados en entornos astrofísicos extremos, como núcleos galácticos activos y cúmulos de galaxias, con el objetivo de detectar firmas espectrales distintivas que puedan revelar la presencia de ALPs.
Otra ventana hacia la física más allá del Modelo Estándar la ofrecen los agujeros negros primordiales (PBHs), una clase de objetos hipotéticos que habrían surgido en el universo temprano debido a fluctuaciones de densidad en la inflación cósmica o procesos exóticos como transiciones de fase y defectos topológicos. A diferencia de los agujeros negros estelares, los PBHs pueden abarcar una amplia gama de masas, desde valores comparables a la de un asteroide hasta escalas supermasivas. Sin embargo, aquellos con una masa inicial menor a 5 x1014g deberían haberse evaporado completamente debido a la radiación de Hawking. En sus fases finales, se estima que los PBHs liberan explosiones de rayos gamma de muy alta energía, proporcionando una firma característica detectable con observatorios de astropartículas. HAWC ha llevado a cabo búsquedas exhaustivas de estas explosiones en la región de los TeV, estableciendo límites en la densidad de eventos PBH sobre 3400 pc-3 yr-1, dependiendo de los modelos de evaporación considerados. Si bien hasta la fecha no se ha detectado ninguna explosión de PBHs, los límites obtenidos por HAWC han permitido restringir modelos de formación de PBHs y han excluido ciertas distribuciones de densidad que habrían dado lugar a una frecuencia de eventos superior a la observada. Además, estos resultados han motivado nuevas estrategias para la detección conjunta con otros observatorios a regiones donde aún podrían existir señales de eventos de PBH altamente energéticos.
Por otro lado, la violación de la invariancia de Lorentz (LIV) representa un posible indicio de física más allá del Modelo Estándar, al desafiar una de las simetrías fundamentales de la relatividad. En algunas teorías de unificación, modelos de gravedad cuántica y formulaciones de teoría de cuerdas, se postula que a energías cercanas a la escala de Planck (~1028 eV), la estructura del espacio-tiempo podría no ser perfectamente continua, sino presentar efectos de cuantización o gravedad que se traducirían en modificaciones en la propagación de partículas de muy alta energía. Entre estas posibles manifestaciones, se incluyen dispersión anómala de fotones, alteraciones en la velocidad de propagación y atenuación de los rayos gamma, y la posible existencia de energías límite para la producción de cascadas de rayos cósmicos. Gracias a su capacidad de detección de fuentes de las más altas energías, HAWC logró imponer restricciones a los coeficientes de LIV a escalas de energía superiores a la escala de Planck, proporcionando límites muy estrictos a la fenomenología derivada de una LIV. Además, innovó al integrar estudios dedicados con consideraciones astrofísicas y de detección en estudios dedicados, en particular, analizando la absorción y atenuación de fotones a energías superiores a 100 TeV. Al hacerlo, HAWC jugó un papel importante en el renovado interés de la comunidad científica en este tipo de búsquedas, fomentando una sinergia de aprovechar los nuevos datos y mayor sensibilidad en la nueva generación de observatorios de astropartículas. Si bien hasta ahora no se ha detectado una señal positiva de LIV, los límites cada vez más estrictos han permitido restringir modelos de física nueva. Más aún, con la acumulación de más datos y futuras colaboraciones con otros telescopios de rayos gamma y experimentos de rayos cósmicos, la búsqueda de la naturaleza del espacio-tiempo continúa siendo una de las áreas de interés de física fundamental.
En HAWC también se han llevado a cabo estudios para observar neutrinos; estos representan una de las partículas más elusivas y fundamentales en la exploración del universo de altas energías. Debido a su masa extremadamente pequeña y su débil interacción con la materia, pueden viajar a través del cosmos sin ser absorbidos o desviados, proporcionando información única sobre los procesos más extremos del universo, como explosiones de supernovas, fusiones de estrellas de neutrones y la acreción de materia en agujeros negros supermasivos. Si bien HAWC no fue diseñado originalmente como un detector de neutrinos, en los últimos años incorporó algoritmos de búsqueda para expandir su capacidad de observación buscando lluvias atmosféricas producidas por neutrinos tau que atraviesan la Tierra antes de decaer en partículas detectables en la atmósfera; aunque al momento no ha registrado alguno, sus observaciones han complementado experimentos como IceCube, permitiendo correlaciones entre fuentes comunes de rayos gamma y neutrinos. La posibilidad de detectar fuentes simultáneamente en rayos gamma y neutrinos fortalece la evidencia de que ciertos objetos astrofísicos actúan como aceleradores naturales de partículas y permite descartar otros candidatos.
En su primera década de operación, HAWC ha demostrado ser una herramienta invaluable para la astrofísica y la física fundamental. Desde la exploración de la violación de la invariancia de Lorentz hasta la búsqueda de materia oscura, el observatorio ha ampliado los horizontes del conocimiento científico e impulsado colaboraciones internacionales y ha influido en el diseño de futuros observatorios, como el Observatorio de rayos gamma de campo amplio del sur (SWGO).
Los artículos que incluyen estos resultados, y muchos más, así como las tesis desarrolladas y documentos técnicos asociados a HAWC, se pueden localizar en la página web del proyecto:
https://www.hawc-observatory.org/publications/#articles
