Axiones: la partícula fantasma que podría explicar la materia oscura y cambiar nuestra visión del Universo

Anteriormente hemos hablado de qué está compuesto el Universo, básicamente son la materia bariónica (de lo que estamos hechos), la materia oscura y la energía oscura. Las últimas dos son problemas abiertos de la astrofísica y hasta el día de hoy no hemos podido conocer su origen.

Por si fuera poco, también existe el problema de la simetría de paridad de carga (CP) fuerte, en la cromodinámica cuántica (QCD), esa que explica la interacción nuclear fuerte y que describe cómo interactúan los quarks y los gluones para formar partículas subatómicas más grandes como protones y neutrones.

Este último es uno de los mayores misterios sin resolver de la física moderna ya que cuestiona por qué esta cromodinámica cuántica conserva perfectamente la simetría CP, a pesar de que sus ecuaciones permiten matemáticamente que se rompa.

Resulta que, una partícula hipotética llamada “axión” podría ofrecer una solución para ambos enigmas, ya que podría conformar la materia oscura fría de nuestra galaxia, además de explicar la conservación de la simetría CP mediante el mecanismo llamado Peccei-Quinn.

¿Qué rayos son los axiones?

Sin embargo existe otro pequeño problema y es que, además de “invisibles”, serían extremadamente ligeros, por lo que sus interacciones con la materia común y la luz serían tan débiles que billones de ellos podrían estar atravesándonos en este momento y nosotros ni enterados.

De hecho, el mayor desafío es que su masa exacta es desconocida, por lo que obliga a los investigadores a buscar, a ciegas, a través de un rango gigantesco de frecuencias de energía. Para no perderse en esta inmensa búsqueda, se basan en teorías y modelos matemáticos específicos para predecir su comportamiento.

En la famosa tabla de partículas elementales, el axión estaría en el grupo de los bosones, clasificado como pseudo-Nambu-Goldstone que teóricamente surge de la ruptura espontánea de la simetría en el universo temprano.

Y por si fuera poco, existen variantes genéricas llamadas partículas tipo axión (ALPs), que se utilizan en la teoría de cuerdas y que comparten propiedades similares. Por lo que para poder “discernir” se deben utilizar modelos de su comportamiento y qué fuerzas debería sentir o influenciar, como el magnetismo o el giro de las partículas elementales.

Sintonizando la radio cósmica

Pero entonces, si los axiones son invisibles, ¿cómo podemos detectarlos? La estrategia más popular utiliza un truco cuántico llamado efecto Primakoff que se basa en que, cuando un axión choca contra un campo magnético muy intenso, se transforma en una pequeña partícula de luz.

Para capturar este destello, se utilizan unos instrumentos llamados haloscopios, que funcionan de manera similar a una radio, en la que sintonizamos la masa a través de una señal. El problema es que, al no conocer esta masa, se requieren campos magnéticos muy fuertes y usualmente el ruido cuántico imposibilita su detección.

Para el caso del halo galáctico, los experimentos utilizan un método llamado haloscopio de cavidad, en el que se emplean cavidades resonantes (como nuestra faringe pero en este caso es de microondas), dentro de potentes imanes superconductores, donde la señal se amplifica y mejora cuando coincide con la masa del axión.

Ejemplos de estos son los experimentos como ADMX, HAYSTAC y CAPP los cuales deben enfriarse a temperaturas extremas, rozando el cero absoluto para evitar que el calor ambiental oculte la minúscula señal de luz del axión, sin duda alguna, los retos técnicos son importantes.

¿Y si sí los encontráramos?

Además de la gran fiesta que organizarían los físicos teóricos y probablemente haya una repartición importante de premios Nobel, el problema de CP fuerte ya no sería un problema o, sería menos problemático, veamos por qué.

Los axiones debieron surgir en cantidades importantes en el universo primitivo y mientras este crecía desproporcionadamente, debieron salir expulsados del campo responsable de ese mismo crecimiento, sin embargo, resistieron, lo que significa que debieron mantenerse unidos.

Por lo que si aparecieran, no deberían interactuar con las demás partículas de forma perceptible, y tampoco podríamos detectarlos. A pesar de su casi nula masa, la cantidad de éstos y su movimiento lento harían que se agruparan de tal modo, que se comportarían de forma muy similar a la materia oscura, la cual, justamente, ¡tampoco podemos detectar!

Es así que la existencia de axiones llenaría algunos vacíos increíbles en nuestra comprensión del Universo, de la misma forma como lo hizo el bosón de Higgs al llenar un hueco, como el de mi estómago en este momento, acerca de lo que es la masa.