El proceso de búsqueda de partículas hipotéticas llamadas axiones, que son candidatas a materia oscura, mediante observaciones astrofísicas y experimentos de laboratorio.
La detección de axiones es la búsqueda de partículas elementales hipotéticas llamadas axiones, que son candidatas principales para la materia oscura. Los axiones son partículas extremadamente ligeras y de interacción débil, predichas por extensiones del Modelo Estándar para resolver el problema CP fuerte. Detectarlos es un desafío porque interactúan muy débilmente con la materia ordinaria, pero su existencia explicaría una fracción significativa de la masa faltante del universo y abriría una nueva ventana a la física de partículas.
Historia
El axión fue propuesto en 1977 por Roberto Peccei y Helen Quinn para explicar por qué la fuerza nuclear fuerte preserva la simetría CP, y la partícula en sí fue nombrada por Frank Wilczek y Steven Weinberg. Las búsquedas experimentales comenzaron en la década de 1980 y continúan en la actualidad.
Cómo funciona
Los axiones pueden convertirse en fotones en presencia de campos magnéticos intensos (el efecto Primakoff). Experimentos como los haloscopios utilizan cavidades resonantes en campos magnéticos fuertes para detectar fotones de microondas producidos por la conversión de axiones. Las observaciones astrofísicas buscan efectos inducidos por axiones, como pérdida anómala de energía en estrellas o cambios de polarización en la luz de fuentes distantes. También se proponen los polos magnéticos de las estrellas de neutrones como convertidores naturales de axiones a fotones.
En la práctica
Los experimentos de detección de axiones, como ADMX, tienen como objetivo descubrir la materia oscura; si tienen éxito, revolucionarían tanto la cosmología como la física de partículas.
Dato curioso
Los axiones, si existen, también podrían explicar por qué las estrellas de neutrones se enfrían más rápido de lo esperado, ya que transportarían energía desde el núcleo de la estrella.
En una cámara de gas donde normalmente se registran electrones rápidos, de pronto empezaron a circular portadores de carga lentos: iones negativos. Se mueven como porteadores pesados que no se dispersan hacia los lados, sino que avanzan en formación cerrada.
En el interior del Sol tienen lugar reacciones que podrían generar partículas ligeras y casi indetectables: los axiones. Una de estas reacciones produce axiones con una energía de 5,49 MeV, como si cada uno llevara la energía del impacto de una pelota de tenis que viaja a 100 km/h.
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.
En los primeros instantes después del Big Bang, el universo era una 'sopa' ardiente de partículas. A medida que se enfriaba, se producían transiciones de fase, como cuando el agua se convierte en hielo. En uno de esos momentos pudieron nacer los monopolos magnéticos de la materia oscura: diminutos grumos de campo con un solo polo magnético.
En los primeros instantes tras el Big Bang, el universo se expandió a una velocidad vertiginosa, una fase que llamamos inflación. Incluso el vacío estaba agitado: los empujones cuánticos mecían los campos como el viento agita las espigas en un campo.
En 1929, Edwin Hubble apuntó su telescopio a galaxias lejanas y descubrió que se alejan. Noventa años después, dos mediciones de la velocidad de esa expansión —una basada en la luz antigua y otra en estrellas cercanas— se niegan a coincidir. Una discrepancia del 9% no se puede achacar a errores.
En la galaxia NGC 1052 DF2, las estrellas se mueven a tan solo 8 kilómetros por segundo — como si no hubiera masa invisible alrededor. Para comparar: en nuestra Vía Láctea, las estrellas periféricas se aceleran hasta 200 kilómetros por segundo, retenidas por un masivo halo de materia oscura.
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.
En lo profundo del subsuelo, en el silencio de un criostato (un contenedor refrigerado), yacen cristales de plomo que una vez formaron parte de un barco romano antiguo. Este material apenas emite radiación de fondo: en dos mil años, los isótopos inestables se han desintegrado, y ahora es perfectamente puro para la caza de eventos rarísimos.
Ocho puntos brillantes en el cielo radioeléctrico. Son el mismo cuásar HS 0810+2554, cuya luz atravesó una lente gravitacional: una galaxia masiva en primer plano.
Las ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros suenan como acordes graves, los púlsares marcan el ritmo y la radiación cósmica de fondo nos trae ecos del Big Bang. Pero hay un intérprete silencioso: la materia oscura, cuya presencia solo se revela por sus efectos gravitacionales.
El modelo cosmológico estándar, basado en las ecuaciones de campo propuestas por Einstein, describe el Universo como un cóctel de materia oscura (descubierta gracias a Vera Rubin) y energía oscura en una proporción aproximada…
Un gran tanque subterráneo con xenón líquido espera un evento raro: el empujón de una partícula de materia oscura. Normalmente, la gravedad es demasiado débil para que ese empujón se note.
El universo está impregnado de masa invisible: la materia oscura, cuya existencia fue propuesta por primera vez por Fritz Zwicky en la década de 1930, al observar el movimiento de las galaxias en los cúmulos.
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 móvil infantil: las figuras cuelgan de hilos y responden a cualquier soplo. De manera similar, los planetas en órbitas muy amplias apenas son sostenidos por la gravedad de la estrella — y sienten las más leves «corrientes» gravitacionales. Los astrónomos propusieron convertir esos planetas en detectores de materia oscura.
En el armario de la cocina hay un frasco de azúcar. Si lo agitas, los granos se distribuyen casi uniformemente: no hace falta colocarlos uno a uno con pinzas. Algo parecido pudo ocurrir con los diminutos agujeros negros en los primeros instantes tras el Big Bang. Su masa es como la de un asteroide y su tamaño, menor que el de un átomo.
Un océano que impregna todo el espacio permanece invisible para nosotros. Ese océano es la materia oscura, y las olas en su superficie son partículas llamadas axiones. Son tan ligeros y escurridizos que atraviesan la Tierra sin siquiera notarla.
Una piedra cae en un estanque y se forman ondas concéntricas en el agua. Pero una de las ondas, en lugar de expandirse, se adhiere a un pliegue invisible en la superficie y solo viaja a lo largo de él. Algo parecido han descubierto los físicos al recalcular el encuentro de la luz con una pared de dominio axiónica: una región estrecha donde el campo cambia de signo, como una cadena montañosa que separa dos laderas.
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.
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.
En una habitación oscura, una cuenta de vidrio del tamaño de una mota de polvo cuelga de un rayo láser. Debajo hay dos espejos: uno de aluminio y otro de plata. Si cerca pasan axiones —ligeras partículas invisibles que podrían constituir la misteriosa materia oscura—, estos intercambian axiones con los átomos de los espejos y la cuenta se desplaza ligeramente.
Diminutas balas invisibles atraviesan el Sol de lado a lado, casi sin notar su materia. Son los axiones: partículas hipotéticas tan ligeras y escurridizas que se comparan con fantasmas.
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.
En los primeros instantes tras el Big Bang, el universo era un caldero hirviendo. Pero luego, según una nueva hipótesis, se enfrió bruscamente durante un breve periodo, mucho más de lo que se pensaba. En este mundo helado, las partículas de materia oscura, similares a diminutos péndulos, se quedaron quietas y no comenzaron a oscilar.
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.
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.
En 1987, los astrónomos vieron el destello de una supernova en una galaxia vecina: la Gran Nube de Magallanes. Fue un regalo poco común: la explosión ocurrió lo bastante cerca como para captar no solo la luz, sino también los neutrinos (partículas casi imposibles de detectar que atraviesan la Tierra de lado a lado).
Un cristal plano de átomos cargados, suspendidos en una trampa electromagnética, funciona como un estanque perfectamente liso. El más mínimo soplo produce ondas en su superficie. Este «estanque» capta los chapoteos de partículas de materia oscura y ondas del espacio-tiempo: ondas gravitacionales de alta frecuencia.
La nube de Oort es un enjambre esférico de billones de cuerpos helados en el borde mismo del sistema solar, a aproximadamente un año luz del Sol. Estos objetos están casi inmóviles entre sí hasta que alguna perturbación gravitatoria altera su reposo.
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.
En la cocina, dos haces de linternas se atraviesan mutuamente sin notarse. La luz casi no interactúa con la luz. Pero si se aceleran partículas a energías enormes, dos fotones pueden colisionar y dar lugar a algo nuevo.
Un diminuto superconductor, levitando sobre un imán, es como un corcho en la superficie de un océano invisible. El más leve soplo de materia oscura lo hace temblar. Los científicos analizaron dos tipos de ese «viento».
En el Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocan a casi la velocidad de la luz. A veces no se rompen, sino que intercambian fotones, las partículas de la luz. Estos fotones pueden crear un par: una partícula que el detector ve y otra que se escapa sin ser detectada.
En un oscuro pozo bajo los Alpes italianos, un tanque contiene tres toneladas de xenón líquido. Cuando una partícula lo atraviesa, arranca de los átomos débiles destellos de luz y nubes de electrones. Siguiendo estas huellas, los físicos esperan ver la desintegración más rara: el núcleo de xenón-136 se convierte en bario-136, emitiendo dos electrones y ningún neutrino.
El cúbit, la unidad de cálculo de un ordenador cuántico, vive fracciones de milisegundo y luego olvida su estado. Una de las causas es un contacto diminuto en su interior: dos capas de aluminio con una capa de óxido de aluminio de un par de nanómetros de espesor entre ellas.
En las colisiones de núcleos pesados se genera una bola de fuego compuesta por miles de partículas. Entre ellas se encuentran los piones y los kaones, dos tipos de partículas ligeras muy similares entre sí. Para entender qué ocurre en esa bola de fuego, los físicos necesitan saber con exactitud cuántas partículas de cada tipo han salido.
