¿Cómo se pesa una partícula que no se sabe que existe?

La llamada materia oscura constituye el 85% del contenido de masa del universo. Los investigadores la llaman «oscura» porque no se nota nada en ella, excepto su gravedad. Sin embargo, esto se puede detectar bastante bien. Sin la materia oscura, las galaxias se moverían de forma diferente a como se ha demostrado, y el universo tendría una estructura diferente. Así que los físicos necesitan la materia oscura para explicar el cosmos. Lástima que todavía no sepan de qué está hecho. Hay candidatos para ello: MACHOs (objetos compactos masivos del halo), WIMPs (partículas masivas de interacción débil) e incluso agujeros negros invisibles de los primeros días del universo. Pero hasta ahora no se han encontrado suficientes ejemplos de ninguno de estos candidatos para explicar la materia oscura.

Ahora entra en juego el axión. Aunque no es un WIMP en sentido estricto, el axión también interactúa débilmente con la materia normal. Penetra en la tierra sin problemas. En 1978, se propuso como una nueva partícula elemental porque los científicos buscaban una explicación de por qué el espín (momento angular) de un neutrón no precede o «se tambalea» en un campo eléctrico. Según la teoría, es el axión el que suprime esta precesión en el neutrón.

¿Podría ser también un candidato a materia oscura? Ciertamente, si tiene la masa adecuada. Los primeros intentos de detectar axiones se realizaron ya en la década de 1980. Con la ayuda de las ecuaciones de la bien probada teoría de las interacciones de las partículas fundamentales, el llamado Modelo Estándar, y la teoría del Big Bang, el Modelo Estándar cosmológico, es realmente posible calcular la masa exacta del axión. Pero las ecuaciones son tan complicadas que hasta ahora sólo se dispone de estimaciones muy variables de la masa del axión, que van desde unos pocos μeV hasta 500 μeV. Los axiones se buscan con la ayuda de cavidades de microondas, que son básicamente sofisticados receptores de radio. Sin embargo, hay que probar millones de canales de frecuencia para encontrar el que corresponde (según la equivalencia masa-energía de Einstein) a la masa del axión.

Hasta ahora, nadie ha encontrado el axión de esta manera. ¿Se debe a que se está buscando en el área equivocada? Esto es lo que sugieren los nuevos resultados publicados ahora en Nature Communications. Con la ayuda de nuevos métodos de cálculo, un equipo internacional ha simulado el momento en que deberían haberse creado los axiones, es decir, poco después de que el universo entrara en su fase inflacionaria, unos 10-35 s después del Big Bang. Esta fase de enorme expansión duró hasta un momento entre 10-33 s y 10-30 s después del Big Bang. Alrededor de 10-27 s, los axiones podrían haber surgido. La simulación realizada en el Centro Nacional de Investigación Científica del Laboratorio de Berkeley (NERSC) ha revelado que la masa del axión es más del doble de lo que suponían teóricos y experimentadores: entre 40 y 180 microelectronvoltios (micro-eV o μeV), aproximadamente una diezmilésima parte de la masa del electrón. Hay pruebas de que la masa está cerca de los 65 μeV.

«Hemos mejorado el rango dinámico de nuestras simulaciones del axión mil veces en comparación con trabajos anteriores y hemos resuelto una cuestión de 40 años sobre la masa del axión y la cosmología del axión», afirma Benjamin Safdi, de la Universidad de California en Berkeley. El nuevo valor también significa que el tipo de experimento más común hasta la fecha para detectar estas elusivas partículas -una cámara de resonancia de microondas con un fuerte campo magnético en la que los científicos esperan detectar la conversión de un axión en una débil onda electromagnética- no es eficaz, por mucho que se intente optimizar el experimento. Esto se debe a que la cámara tendría que ser más pequeña que unos pocos centímetros para detectar la onda de mayor frecuencia de un axión más pesado, dice Safdi. Pero este volumen sería demasiado pequeño para capturar suficientes axiones para que la señal supere al ruido.

Pero también hay buenas noticias: Un nuevo tipo de experimento que busca las excitaciones del axión en un metamaterial -un plasma de estado sólido- debería ser sensible a una partícula axión de esta masa y podría detectarla.

En una simulación del universo primitivo, poco después del Big Bang, los filamentos en forma de tornado (bucle azul oscuro) lanzan partículas de axión. Estos axiones deberían estar todavía presentes hoy en día y podrían ser la materia oscura que los astrofísicos están buscando (Imagen: Malte Buschmann, Universidad de Princeton)
Otra instantánea de la simulación del universo primitivo. Aquí, la densidad de energía del axión varía de alta, en amarillo, a azul y rojo, hasta un punto bajo en negro. (Imagen: Malte Buschmann, Universidad de Princeton)

Leave a Comment

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.

BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris es físico y especialista en el espacio. Lleva mucho tiempo preocupado por las cuestiones espaciales, tanto a nivel profesional como privado, y aunque quería ser astronauta, tuvo que quedarse en la Tierra por diversas razones. Le fascina especialmente el "qué pasaría si" y a través de sus libros pretende compartir historias convincentes de ciencia ficción dura que podrían suceder realmente, y que algún día podrían suceder. Morris es autor de varias novelas de ciencia ficción de gran éxito de ventas, como la serie Enceladus.

    Brandon es un orgulloso miembro de la Science Fiction and Fantasy Writers of America y de la Mars Society.