El axión es una partícula hipotética (su existencia todavía no ha sido demostrada) que aparece en formulaciones que extienden el Modelo Estándar de la Física de Partículas. Fue postulada por la teoría de Peccei-Quinn en 1977 para explicar las desconcertantes propiedades que presenta la simetría CP (carga-paridad) en la interacción fuerte, que es la responsable de mantener unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico. Además, por sus características, los axiones podrían ser candidatos a formar la misteriosa materia oscura que impregna el Universo. Por tanto, si se confirma experimentalmente su existencia, la comunidad científica internacional podría resolver dos importantes enigmas de la física.
Sin embargo, el espacio teórico de posibilidades para los axiones es muy amplio, tanto en términos de masa como de fuerza de interacción con otras partículas. Por ello, las búsquedas de axiones se orientan a diferentes regiones de este espacio, y cada una de estas búsquedas conlleva la posibilidad de descubrir el axión. A su vez, los resultados que se obtienen encaminan futuras búsquedas, porque el espacio de posibilidades se acota.
Uno de los experimentos científicos que centra su actividad en la búsqueda de axiones es el experimento CAST (CERN Axion Solar Telescope) del CERN. Este se diseñó originalmente para buscar axiones procedentes del Sol. Sin embargo, en un nuevo artículo publicado en Nature Communications, los investigadores de CAST informan de cómo han reconvertido y optimizado parte de este experimento para dirigirse a una región del espacio teórico del axión hasta ahora inexplorada.
En este nuevo estudio, el equipo de CAST colocó un resonador formado por cuatro cavidades dentro de uno de los dos orificios del imán del experimento, con el objetivo de construir un detector para axiones procedentes del "halo" de materia oscura de la Vía Láctea. A este nuevo haloscopio de axiones le llamaron CAST-CAPP.
En un campo magnético intenso, como el que proporciona el imán de CAST, los axiones deberían convertirse en fotones. El resonador de un haloscopio de axiones es básicamente una "radio" que los investigadores pueden sintonizar para encontrar la frecuencia de estos axiones convertidos en fotones. Pero la frecuencia de la "emisora de radio" del axión no se conoce, por lo que los investigadores deben escanear con precisión las diferentes bandas de frecuencia para tratar de identificar la frecuencia de la "señal" del axión.
El resonador del haloscopio de axiones CAST-CAPP puede sintonizarse para captar "señales" procedentes de un axión en el rango 4,774 - 5,434 GHz, lo que equivale a masas de axión entre 19,74 y 22,47 microelectronvoltios.
Los investigadores del experimento CAST escanearon esta banda de frecuencias en pasos de 200 kHz durante 4124 horas, desde el 12 de septiembre de 2019 hasta el 21 de junio de 2021, y aislaron señales de fondo conocidas, como la red local inalámbrica (WLAN) de 5 GHz, pero no captaron ninguna señal procedente de axiones. Sin embargo, estos datos ponen nuevos límites a la fuerza máxima de interacción entre axiones y fotones para masas de axión comprendidas entre 19,74 y 22,47 microelectronvoltios, reduciendo así el espacio teórico en el que buscar axiones.
Estos resultados complementan los obtenidos en anteriores búsquedas de axiones, incluyendo los recabados con otro haloscopio de CAST llamado RADES, que tomó datos en 2018. Se espera que estos nuevos límites orienten y encaminen búsquedas futuras, situando a la comunidad científica cada vez más cerca de descubrir (o rechazar) la existencia del axión.
Participación española en el experimento CAST
En el experimento CAST participan más de 50 investigadores procedentes de 23 centros de investigación de 14 países. Entre las instituciones que colaboran en CAST se encuentra la Universidad de Zaragoza (UNIZAR). La contribución del grupo de la UNIZAR que participa en este experimento es muy significativa y, además, el investigador Igor García Irastorza, del Grupo de Física Nuclear y Astropartículas (UNIZAR), ejerce como portavoz adjunto en este experimento internacional.
