detector de axiones

En el sótano del laboratorio zumba un imán de 8 teslas. Dentro, como una campana en un campanario, cuelga un cilindro hueco de cobre afinado a una única nota. Si un axión, partícula de materia oscura, pasara cerca, el cilindro respondería con un débil tañido.

Una bola de billar flota en el aire. Desde una cerbatana salen diminutos guisantes hacia ella. Cada golpe es apenas perceptible, pero si la bola es muy ligera y casi no vibra por el calor, se pueden distinguir los impactos individuales.

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.

Los detectores de ondas gravitacionales se parecen a oídos muy sensibles: captan el temblor del espacio cuando, en algún lugar del universo, chocan agujeros negros o estrellas de neutrones. Pero incluso los mejores «oídos» no oyen todo. El nuevo proyecto LIGO A# es como cambiar el tímpano por una membrana más fina y sensible.

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.

En un sistema binario cercano, una estrella caliente, como un reflector, ilumina a su compañera más fría. Parte de la luz se dispersa en los electrones libres de su atmósfera —esto es dispersión Thomson— y adquiere polarización lineal.

En la oscuridad total de una cámara de vacío flota un diminuto imán. No toca las paredes y apenas pierde energía: un guardián perfecto, listo para captar el más leve empujón. Ese guardián es justo lo que se necesita para cazar axiones. Estas partículas son las principales sospechosas del caso de la masa oculta del universo, a la que llamamos materia oscura.

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.

La historia comenzó hace casi un siglo, cuando Edwin Hubble demostró que las galaxias se alejan, y Fritz Zwicky y Vera Rubin comprendieron después que para explicar sus movimientos era necesaria una masa invisible: la materia oscura.

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.

La luz, al pasar cerca de un agujero negro, cae en una trampa gravitacional: su trayectoria se curva, y la partícula rebota en una órbita casi cerrada, como una bola de pinball.

La materia oscura aún escapa a la observación directa, aunque su gravedad mantiene unidas a las galaxias. Una hipótesis: está compuesta de axiones, partículas muy ligeras predichas por la teoría.

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).

Cuando la materia se calienta a millones de grados, se convierte en plasma: una mezcla de electrones libres e iones, similar a una sopa hirviendo de partículas cargadas. No se puede mirar dentro de esa «sopa» con un termómetro común, pero se puede iluminar con rayos X.

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.

Imagina una moneda diminuta escondida en una caja fuerte perfecta, pero cuyas paredes son tan delgadas que la moneda a veces las atraviesa, dejando un sonido apenas perceptible. Los axiones son como esas monedas, solo que en lugar de metal son partículas, y en lugar de una caja fuerte, la materia ordinaria.

El campo magnético de la Tierra, que hace girar la aguja de una brújula, es fuerte. El nuevo sensor detecta campos cien mil veces más débiles, y para ello no necesita ni helio líquido ni instalaciones voluminosas. Todo cabe en una placa de circuito impreso, igual que la que hay dentro de un teléfono inteligente.

Un pequeño anillo de superconductor, enfriado casi hasta el cero absoluto, puede sentir el roce de una partícula miles de millones de veces más ligera que el electrón. Se trata del axión, una partícula hipotética que quizás constituye la materia oscura que llena el universo.

El espectro de radiación gamma se asemeja a una empalizada: cada línea es la energía exacta que el núcleo entregó en forma de fotón. Pero a veces en esa empalizada aparecen "fantasmas": líneas débiles desplazadas en la misma cantidad respecto a las principales.

La materia oscura es una masa invisible que mantiene unidas las galaxias. Se desconoce su naturaleza, pero uno de los candidatos más probables es el axión, una partícula ultraligera que casi no interactúa con la materia. Para atraparlo, los físicos han creado una trampa híbrida.

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 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.

Un detector de materia oscura se parece a un micrófono muy sensible que escucha el silencio. Capta diminutos golpes de calor, los fonones, que se producen cuando una partícula roza el cristal. Pero en lugar de silencio, los instrumentos han estado oyendo ruido durante años: una multitud de señales débiles por debajo de unos pocos cientos de electronvoltios.

Los agujeros negros no son abismos silenciosos, sino diapasones naturales. Su rápida rotación, predicha por Roger Penrose, hace cantar al propio espacio-tiempo, generando una corriente de las partículas más ligeras: los axiones.

Una estrella de neutrones del tamaño de una ciudad gira treinta veces por segundo. Su campo magnético es billones de veces más intenso que el terrestre. Estas condiciones podrían generar alrededor de la estrella una nube de axiones: partículas ligeras que ningún detector ha capturado todavía, pero que explican muy bien la masa oculta del universo.

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.

El detector de materia oscura es como una habitación donde intentan escuchar un susurro, mientras cerca crepita la electricidad estática. Este crepitar lo producen los átomos de radón, un gas radiactivo que se filtra de los materiales y del aire.

El universo se mantiene unido por un armazón invisible de materia oscura. Tal vez una parte de ella sean fotones oscuros, copias fantasmales de la luz que atraviesan la materia. El experimento Dandelion convirtió un espejo esférico en un oído supersensible: recoge los fotones oscuros y los traduce al lenguaje de las ondas de radio.

En un detector de materia oscura, el gas actúa como una película fotográfica: una partícula que lo atraviesa deja un rastro de electrones libres e iones. Pero cuán brillante sea ese rastro depende de cómo la partícula disipa su energía en el gas. Para iones ligeros, como el flúor, los datos hasta ahora eran imprecisos.

Un fotón de rayos X entra en el sensor como una piedrita en aguas tranquilas. El agua es una fina película de aluminio y manganeso, enfriada casi hasta el cero absoluto. El impacto en la película genera una onda de calor, y por su altura se puede saber cuánta energía traía el fotón.

Una bala que no atraviesa un solo blanco, sino que deja su huella en varias capas de blindaje. Así se comporta aproximadamente la materia oscura superpesada que se ha buscado por primera vez en el detector DarkSide-50.

Un resonador metálico, enfriado casi hasta el cero absoluto, escucha el ruido de radio del universo. Entre el caos de las fluctuaciones térmicas y la electrónica, podría aparecer un pico débil: el rastro de un axión, una partícula que quizás constituye la materia oscura.

La materia oscura es invisible, pero se puede atrapar en el rebote. El hidrógeno incrustado en una película de carbono actúa como una bola de billar: cuando una partícula de materia oscura lo golpea, el protón sale disparado. Esa salida es la señal que se busca.

Una olla en el fogón suena cuando el agua hierve. Una taza de cobre vacía también puede 'sonar' a frecuencias de radio si dentro de ella nace una partícula de materia oscura. Estas partículas se llaman axiones y, según una hipótesis, llenan toda la galaxia con una nube invisible.

Plomo antiguo, que permaneció en el fondo del mar durante dos mil años, se ha convertido en el corazón de un detector que busca la sustancia más esquiva del universo. Con él se cultivó un cristal transparente de wolframato de plomo de 13 gramos de masa y se enfrió casi hasta el cero absoluto.

La materia oscura es una sustancia invisible que mantiene unidas a las galaxias, pero que hasta ahora se escapa de la observación directa.

El láser de rayos X LCLS-II en California dispara destellos cortos y potentes, como un estroboscopio en una discoteca. Entre destellos quedan pausas oscuras de 26,9 nanosegundos (milmillonésimas de segundo).

La materia oscura no brilla ni refleja la luz, pero su atracción mantiene a las galaxias unidas, impidiendo que se deshagan. De qué está compuesta es un misterio. Uno de los principales candidatos son los axiones, partículas ultraligeras.

En lo profundo de un laboratorio subterráneo, un detector del tamaño de una habitación espera un evento que podría ocurrir una vez cada cien mil millones de años. Es la doble desintegración beta sin neutrinos, un proceso que violaría una de las leyes más importantes de la física.

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.