acoplamiento axión-fotón

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.

El universo temprano se asemeja a un caldero hirviendo donde las partículas y las antipartículas nacen y mueren en proporciones iguales. Pero hoy a nuestro alrededor solo hay materia: estrellas, planetas, nosotros mismos. ¿Cómo surgió un diminuto exceso de una milmillonésima parte a partir de la igualdad inicial?

La luz de la etapa más caliente del universo ha viajado hacia nosotros durante casi 14 mil millones de años. Esta es la radiación cósmica de fondo: un débil resplandor que llena todo el cielo.

En la primera fracción de segundo después del Big Bang, el universo se expandió a una velocidad inimaginable. El motor de esta expansión pudo ser un campo parecido a una bola que rueda lentamente: el axión. La peculiaridad del axión es que, como un director de orquesta, es capaz de hacer vibrar las ondas electromagnéticas, creándolas literalmente de la nada.

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.

A 123 pársecs de la Tierra, en la constelación de la Corona Austral, navega la estrella de neutrones RX J1856.5-3754. Su diámetro es de unos 12 kilómetros, menor que una carretera de circunvalación urbana, pero la temperatura de su superficie alcanza los 460 000 kelvin. La estrella emite una exhalación lenta, casi inaudible.

Un faro en alta mar no solo gira: su lámpara por sí misma a veces se atenúa y a veces se aviva. Más o menos así se comportan las enanas blancas magnéticas, restos superdensos de estrellas como nuestro Sol.

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.

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…

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.

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.

Una linterna común ilumina por igual hacia adelante y hacia atrás. Pero en los cristales magnéticos nace un axión, una excitación fantasma parecida a una ola en un estadio: los átomos se pasan entre sí un impulso magnético.

Los núcleos atómicos no siempre se parecen a bolas de billar. Algunos son alargados como cigarros, otros achatados. En el xenón-129, la forma recuerda a una patata: un elipsoide abultado de tres ejes.

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.

Una gruesa goma elástica se retuerce cada vez más. En algún momento no aguanta: se rompe y azota a los lados, liberando la energía acumulada. Más o menos así se comportan los campos magnéticos dentro de las estrellas de neutrones, los restos superdensos de estrellas que han explotado.

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.

En una habitación oscura parpadea una lámpara invisible. Su luz no se parece a la habitual: no tiene un brillo constante, solo ráfagas raras pero potentes. Esto es un vacío comprimido brillante: un estado de la luz en el que no hay una onda ordinaria, pero sí fuertes fluctuaciones cuánticas. Con esa luz, los físicos bombardearon átomos de xenón.

Tras la muerte de una estrella masiva, se produce una explosión de supernova tan potente que un solo destello brilla más que toda una galaxia. En ese fuego nacen miles de millones de axiones, partículas invisibles que apenas dejan rastro. Cada segundo, billones de estas diminutas partículas atraviesan nuestro cuerpo sin que nos demos cuenta.

En el cristal de titanato de bario hay un campo eléctrico interno, como el de un imán permanente, pero para cargas. Cuando llega un destello de luz, expulsa electrones que comienzan a agitarse, chocando con los átomos. Pero el cristal no es igual en todas las direcciones: tiene un eje a lo largo del cual el campo es más intenso.

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.

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.

Una fina película de arseniuro de indio sobre un sustrato aislante se comporta como un termo de doble pared: los electrones en su interior apenas ceden calor al cristal circundante. En un metal común, los electrones intercambian rápidamente energía con las vibraciones de los átomos, por lo que su temperatura siempre está cerca de la del material.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los físicos aceleran protones hasta casi la velocidad de la luz y los hacen chocar. Normalmente, en estas colisiones participan los propios protones, pero a veces pasan muy cerca sin tocarse, y lo que interactúan son sus campos eléctricos.

En el instituto húngaro de investigación nuclear ATOMKI, los físicos notaron algo extraño: en las desintegraciones de núcleos atómicos excitados, a veces se producen pares de electrones y positrones que se separan con un ángulo inusual. Como si entre ellos se escondiera una partícula mediadora invisible que aparece y desaparece por un instante.

La luz ordinaria es un flujo de partículas independientes: los fotones se atraviesan unos a otros sin notar a sus vecinos. Pero en circuitos superconductores enfriados casi hasta el cero absoluto, la situación cambia. Allí, los fotones viajan por estrechos caminos de metal, y si en esos caminos se incrustan diminutos elementos llamados uniones de Josephson, la luz comienza a "sentirse" a sí misma.

En el laboratorio DESY se puso en marcha el experimento ALPS II para buscar axiones, unas hipotéticas partículas fantasma que podrían formar la materia oscura. Esta masa invisible actúa como un armazón que evita que las galaxias se dispersen debido a la rotación.

Los datos del cartografiado de galaxias DESI sugieren que la energía oscura en el pasado era más potente que hoy. Este comportamiento «fantasma» amenaza al Universo con un Big Rip: un final en el que incluso los átomos se desintegrarían. Pero el modelo KMIX lo explica como una ilusión.

En el interior de cada célula viva ocurren continuamente transformaciones químicas. Algunas de ellas crean partículas inestables, cuyos electrones se comportan como imanes emparejados. Su interacción recuerda a un baile: cada movimiento de la pareja responde a los campos magnéticos externos, como a un ritmo cambiante.

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.