materia oscura axiónica

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo parecía un caldero hirviendo. En él, según una hipótesis, pudo nacer la materia oscura: la sustancia invisible que mantiene a las galaxias unidas.

El mundo cuántico se parece a una cocina donde, de la nada, aparecen partículas. Pero para ello se necesita un cocinero: un campo clásico que actúe como fuente externa. El teorema de Glauber, conocido desde hace tiempo en óptica, ahora se ha generalizado: muestra cómo el campo "cocina" las partículas, ya sean fotones o gravitones.

La materia oscura es el andamiaje invisible del universo. Sabemos que existe, lo deducimos por el movimiento de las estrellas y las galaxias, pero de qué está hecho ese andamiaje, aún no se sabe. Una de las hipótesis son las partículas ultraligeras, similares a los axiones.

Los cosmólogos se enfrentan a una situación curiosa: dos herramientas fiables dibujan mapas ligeramente diferentes del mismo universo. Una herramienta es el mapa de la luz antigua (la radiación cósmica de fondo), y la otra, el mapa de la distribución de galaxias. En líneas generales coinciden, pero en los detalles discrepan.

En las primeras fracciones de segundo tras el Big Bang, el Universo experimentó la inflación: una expansión increíblemente rápida que alisó todas las irregularidades. Pero entre esa lisura cósmica podría haberse escondido una nota "desafinada": las fluctuaciones cuánticas del campo de axiones.

Imagine un rayo verde que, al atravesar un ingenioso montaje óptico, se enrosca en un embudo tridimensional de luz: un vórtice óptico. En su corazón, como en el ojo de un huracán, la intensidad cae a cero. Justo allí los fotones desaparecen.

Desde que Saul Perlmutter y sus colegas descubrieron la expansión acelerada del universo, los físicos se devanan los sesos con la naturaleza de la energía oscura.

Un agujero negro, como una rueca, hace girar a su alrededor una nube de partículas ligeras: los axiones. Estas partículas son las principales candidatas a ser la materia oscura. La nube se rige por las leyes de la mecánica cuántica, asemejándose a un átomo gigante: hay niveles y transiciones entre ellos.

En el universo temprano pudieron nacer diminutos agujeros negros: con masa de una montaña, pero del tamaño de un núcleo atómico. Hoy podrían servir como fábricas de materia oscura. Hay dos mecanismos: la evaporación habitual (radiación de Hawking) y la menos conocida superradiancia.

Una orquesta perfectamente afinada, donde cada instrumento está calibrado con una precisión impecable, intenta tocar en una sala ruidosa. Ese ruido es la gravedad cuántica, la ondulación del espacio-tiempo a nivel microscópico. Constantemente amenaza con desentonar a los músicos.

Un traductor trabaja en una sala ruidosa. El murmullo de voces, el tintineo de los platos, fragmentos de conversaciones ajenas: parece que debería equivocarse constantemente. Pero al final del día, sus notas coinciden perfectamente con las que habría tomado en el silencio de su despacho. Más o menos así se comporta la regla cuántica que los físicos llaman anomalía axial.

El Universo en sus etapas tardías puede imaginarse como una multitud que se dispersa tras un concierto. En el modelo cosmológico habitual ΛCDM, la gente camina en silencio, sin molestarse. Pero ¿y si de repente miles de espectadores empiezan a dar ligeros empujones a sus vecinos?

Una estrella de neutrones es una lente gravitacional donde se enfocan nuestros intentos de vislumbrar la materia oscura. A través de su materia superdensa, como a través de un exótico cristal, buscamos el axión, una partícula esquiva capaz de explicar la masa oculta del Universo.

El universo no solo se expande: también resuena. Tras el Big Bang, en su tejido quedaron cuerdas tensas, finas como un protón pero pesadas como una cordillera. Sus vibraciones generan ondas gravitacionales, y en esa radiación, como en una partitura, está cifrada la historia de las simetrías fundamentales.

Un faro gira en medio de una niebla espesa. Su haz atraviesa la oscuridad, pero la niebla misma permanece invisible. Así, más o menos, buscan los astrónomos la materia oscura: no emite luz, pero puede influir en las señales que nos llegan.

Un agujero negro se parece a un remolino en el océano: todo lo que cae dentro desaparece para siempre. Pero si el remolino gira y está ligeramente electrificado, y a su alrededor pululan partículas invisibles llamadas axiones (candidatas a materia oscura), su superficie deja de ser lisa.

Una piedra lanzada al agua deja círculos. Un satélite que orbita la Tierra también deja una huella, pero no en el agua, sino en las leyes de la física. Su órbita no es una línea fija: gira lentamente, como la manecilla de un reloj gigante. Parte de esa rotación se explica por la gravedad ordinaria, pero cada vez hay más indicios de que algo más está interviniendo: algo invisible y omnipresente.

El universo está lleno de invisible materia oscura. Así como una gota de agua al evaporarse deja un cristalito de sal, un agujero negro puede evaporarse y dejar tras de sí un diminuto residuo estable. Esta idea fue desarrollada por Stephen Hawking y Jacob Bekenstein.

En el acelerador SuperKEKB se hacen colisionar electrones con positrones, y entre los escombros se encuentran mesones B. Estas partículas pesadas viven poco y se descomponen en otras más ligeras. Recientemente, el detector Belle II registró un número sospechosamente alto de casos en los que un mesón B se transforma en un mesón K (kaón) y algo invisible: un exceso de 2,7 sigmas sobre lo esperado.

Al principio, instantes después del Big Bang, el universo estaba organizado de forma ridículamente simétrica: había tantas partículas como antipartículas. Pero ocurrió un desequilibrio, diminuto como un grano de arena extra en un kilo de azúcar, y todo el mundo que conocemos —estrellas, planetas, personas— surgió de ese excedente.

Un gravitón individual — un cuanto del espacio-tiempo — es increíblemente débil. Para detectores como LIGO, construidos por Rainer Weiss y colegas, los efectos cuánticos están suprimidos en un factor de 10⁻³⁸: es como intentar oír cómo un grano de arena caído en un huracán cambia la…

Todo comenzó con un diminuto conglomerado que crecía más rápido de lo que la luz podía rodearlo. Dentro de esa burbuja en expansión —nuestro futuro universo— reinaba un calor inimaginable. Pero un campo, llamado inflatón (el motor de la inflación), se comportaba como un director de orquesta: controlaba tanto la expansión como el comportamiento de las demás partículas.

La materia oscura es invisible, pero su gravedad gobierna el movimiento de las galaxias. De qué está hecha es un misterio. Una idea: son partículas ultraligeras, parecidas a los axiones.

Los axiones son partículas elementales hipotéticas introducidas en la teoría por Roberto Peccei y Helen Quinn en 1977 para resolver el llamado problema fuerte de CP en el modelo estándar de la física de partículas.

Un imán con un solo polo, el norte sin el sur, no es un fragmento, sino una partícula independiente. Se la llama monopolo magnético (portador de una única carga magnética). El nacimiento de tales huéspedes es posible en el universo temprano, cuando las fuerzas apenas se separaban.

En una enorme sala se colocan cien diapasones. Cada uno de ellos es un púlsar, un resto estelar superdenso que gira a una velocidad vertiginosa y emite pulsos de radio con más precisión que cualquier reloj.

En una galaxia lejana, a una distancia que la luz tarda 11 mil millones de años en recorrer, algo brilló. El telescopio de rayos X Einstein Probe detectó un estallido breve, como un pinchazo de aguja: duró solo unas pocas decenas de segundos.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo no era un lugar vacío y silencioso, sino que estaba lleno de plasma caliente, partículas y campos magnéticos. Entre esas partículas, posiblemente había axiones, candidatos ligeros y casi invisibles a materia oscura.

Justo después del Big Bang el Universo era como una sopa burbujeante: del vacío emergían y se hundían pares de partículas y antipartículas. Pero la brusca expansión — época descrita por Alan Guth y Andrei Linde — selló esa olla con una tapa.

En las transiciones nucleares del berilio-8, helio-4 y carbono-12, los físicos de la colaboración ATOMKI vienen observando desde 2020 eventos de más — como si en la desintegración de un núcleo excitado a veces naciera algo más, además de los fotones habituales. La energía de ese «algo» es siempre la misma: unos 17 millones de electronvoltios.

La luz de la estrella HD 163296 atraviesa el disco de gas y polvo que la rodea, como el haz de una linterna a través de agua turbia. Las partículas del disco dispersan la luz y esta adquiere una propiedad especial: la polarización. Las ondas comienzan a oscilar en un solo plano, como una cuerda que se agita estrictamente hacia arriba y hacia abajo.

En el corazón de los Alpes se esconde el Gran Colisionador de Hadrones. De vez en cuando sus detectores registran picos repentinos: los científicos los llaman UFO (objetos no identificados en caída). Según una teoría, no son fallos del equipo, sino rastros de materia oscura.

En el centro de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que los protones y los neutrones se transforman en partículas más pesadas: los hiperones. Estas partículas se parecen a los neutrones, pero contienen un quark extraño. Durante mucho tiempo, los físicos no podían entender cómo una estrella con hiperones en su interior podía ser tan pesada como muestran las observaciones.

En su infancia, el universo era una mezcla caliente de partículas, como un plasma. Microsegundos después del Big Bang, al enfriarse, la temperatura fluctuaba ligeramente. Estas pulsaciones actuaron como empujones precisos en un columpio: estimulaban sincronizadamente el nacimiento de axiones, partículas candidatas a materia oscura.

La materia oscura es cinco veces más masiva que la materia ordinaria, pero no emite luz. Su naturaleza es desconocida. Uno de los candidatos son los axiones, partículas ultraligeras. Pueden atravesar el planeta de lado a lado, casi sin notar los átomos.

Los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias surgieron tan rápido después del Big Bang que los astrónomos se devanan los sesos. La clave está en el temblor del invisible campo de axiones.

La materia oscura es el fundamento invisible del Universo. Vera Rubin demostró su existencia por el movimiento de las estrellas, pero las partículas aún no han sido atrapadas.

Cada día, partículas con una energía colosal entran en la atmósfera terrestre, como cartas sin firma. Su origen ha sido un misterio durante mucho tiempo.

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.

El espectro de electrones cósmicos es como las huellas dactilares en la escena del crimen. Las partículas que llegan desde las profundidades de la Galaxia llevan en sus energías las marcas de quienes las crearon. Durante mucho tiempo la imagen fue borrosa: los instrumentos con amplios intervalos de energía, como fotografías desenfocadas, no permitían ver los detalles.