¿Qué es el axión y qué relación tiene con la materia oscura?

El axión es una partícula hipotética que aparece en formulaciones que extienden el Modelo Estándar de Física de Partículas e incluyen el llamado mecanismo de Peccei-Quinn. Este mecanismo fue postulado hace ya 35 años para explicar un problema no resuelto del Modelo Estándar: el llamado problema de la CP-fuerte.

Una ley física tiene simetría CP (carga-paridad) cuando es igualmente válida después de intercambiar cada partícula por su antipartícula (simetría C o conjugación de carga) e invertir sus coordenadas espaciales (simetría P, paridad o "espejo"). De las interacciones fundamentales, las electrodébiles no respetan la simetría CP (violación CP), aunque de momento esto no se ha observado en las interacciones fuertes (responsable de mantener unidos a protones y neutrones en el núcleo).

Al no observar ruptura de la simetría CP en las interacciones fuertes, el Modelo Estándar se tiene que ajustar con unos parámetros no previstos, lo cual hace sospechar a los científicos que la teoría está incompleta. Es lo que llaman el problema de la CP-fuerte, para cuya resolución se estableció el mecanismo de Peccei-Quinn. Una consecuencia de esta teoría es la aparición de una nueva partícula, el axión. Veamos algunas de sus características (propuestas).

Propiedades del axión

El axión es una partícula neutra y muy ligera (pero no sin masa), y no interacciona, o lo hace muy débilmente, con la materia convencional. Se puede ver el axión como un fotón "extraño". De hecho, la teoría predice que el axión, de existir, se podría transformar en fotón (y viceversa) en el seno de campos electromagnéticos. Esta propiedad del axion es crucial para los experimentos que buscan su detección.

Pero sin duda, una de las propiedades más sugerentes del axión es que se habría producido de forma natural en grandes cantidades en una época temprana del Universo. Estos axiones seguirían existiendo hoy y podrían componer la materia oscura del Universo, que según los científicos debe componer casi un cuarto de toda la masa del cosmos, pero que aún no ha sido detectada.

Los axiones son, junto con los WIMPs (siglas en inglés de partícula masiva de interacción débil), uno de los candidatos más buscados para formar la enigmática materia oscura. Gracias a la propiedad de su conversión en fotones, los axiones se podrían producir y detectar en el laboratorio mediante el uso de potentes campos magnéticos. Se están llevando a cabo experimentos en este sentido, aunque están aún muy lejos de "ver" axiones como los que predice el mecanismo de Peccei-Quinn.

Experimentos para su detección

Si el axion existe y es el componente principal de la materia oscura, los propios axiones fósiles que estarían bombardeándonos continuamente podrían detectarse usando cavidades de microondas resonantes (a la masa del axion) inmersas en potentes campos magnéticos. Este esquema es el seguido por el experimento ADMX en la Universidad de Washington, que podría detectar el axión si la materia oscura está compuesta por axiones en su totalidad.

Otra técnica distinta para detectar axiones es mediante helioscopios, que tratan de detectar los axiones producidos en el interior del Sol. Se podrían detectar usando un potente imán equipado con detectores de rayos X de muy bajo fondo. El helioscopio de axiones más potente es el Telescopio de Axiones Solares del CERN o CAST, en el que participan investigadores de la Universidad de Zaragoza. Aunque no se han obtenido señales de los axiones, CAST ha superado límites astrofísicos previos y ha permitido entrar en una zona hasta entonces inexplorada. CAST es sensible a axiones con masas entre 0,1 y 1 electronvoltio (eV).

Futuro

Actualmente se prepara un nuevo helioscopio de axiones denominado IAXO (Observatorio Internacional de Axiones), una extensión de la filosofía de CAST usando un imán superconductor de mayores dimensiones y específicamente diseñado para buscar axiones (el actual de CAST es uno de los imanes del LHC), equipado por ópticas de rayos X que concentrarían la señal y por detectores de rayos X de ultra-bajo fondo.

El diseño conceptual de IAXO se presentó en el CERN en octubre y la propuesta se está estudiando en estos momentos en el comité científico SPS. IAXO podría detectar axiones solares en un rango de masas mucho más amplio que CAST, y por tanto exploraría una zona muy importante de su espacio paramétrico que además es inaccesible con otras técnicas. Por otra parte, el imán de IAXO podría también alojar otros tipos de experimentos de axiones, por lo que IAXO podría convertirse en una infraestructura axiónica genérica. Si el axion existe, IAXO tendrá posibilidades de descubrirlo.

Autor:

Igor G. Irastorza. Universidad de Zaragoza. Portavoz adjunto del experimento CAST.