Europa financia a un investigador español para avanzar en el estudio de los axiones

El Consejo Europeo de Investigación (ERC) ha otorgado al físico Igor García Irastorza, del Grupo de Física Nuclear y Astropartículas en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Zaragoza, uno de los proyectos a la investigación más prestigiosos y extremadamente competitivos, una “Advanced Grant” dotada con 3,1 millones de euros, cuya solicitud está restringida a investigadores senior que puedan presentar una trayectoria investigadora de alta calidad durante al menos diez años. García Irastorza, que lidera una colaboración internacional que aspira a construir el Observatorio Internacional de Axiones (IAXO), ya obtuvo en 2009 una “Starting Grant” del ERC dotada con 1,2 millones de euros, gracias a la que pudo acometer la construcción de un tipo novedoso de detectores avanzados en la Universidad de Zaragoza con los que explorar la materia oscura.

En esta convocatoria Advanced Grant 2017, que se acaba de hacer pública, el Consejo Europeo de Investigación financiará con 653 millones de euros a 269 investigadores líderes para que con sus grupos de investigación desarrollen nuevas líneas de trabajo en la frontera del conocimiento. 18 de estos investigadores trabajarán en centros españoles, lo que supone un 7,9% de la Unión Europea (UE28), un 6,7% del total. En la distribución de ayudas, el ranking lo encabezan  Reino Unido y Alemania, con 66 y 42 ayudas, respectivamente. España está en quinta posición, tras Francia (34 ayudas) y Suiza (24).

La materia oscura es un componente mayoritario del Universo, unas 5 veces más abundante que la materia convencional (estrellas y planetas). Se conoce su existencia por la atracción gravitatoria que ejerce sobre la materia visible circundante. Sin embargo, no sabemos cuál es su naturaleza. Según una de las hipótesis más extendidas, la Materia Oscura estaría compuesta de partículas masivas de débil interacción (WIMPs, por sus siglas en inglés), que estarían atravesando la Tierra en grandes cantidades sin prácticamente interactuar con nosotros. Esta hipótesis está detrás de la mayoría de experimentos llevados a cabo en laboratorios subterráneos como el Laboratorio de Canfranc, así como de muchas de las investigaciones del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el famoso acelerador del CERN en Ginebra. Tras varias décadas de esfuerzos, sin embargo, los físicos de partículas siguen sin evidencia de los WIMPs.

Una hipótesis alternativa es que la materia oscura esté compuesta de otro tipo de partículas distinto, neutras, muy ligeras y que interaccionan muy débilmente con la materia ordinaria, denominadas axiones. Los axiones fueron propuestos a nivel teórico hace 40 años para resolver cuestiones de la simetría de inversión temporal en las teorías de física de partículas (es decir, si las ecuaciones que gobiernan las partículas y su dinámica permanecen idénticas al invertir la dirección del tiempo). Los axiones podrían haberse producido en grandes cantidades tras el Big Bang y comportase exactamente como la Materia Oscura que observamos. Demostrar la existencia de los axiones es uno de los retos más importantes de la física de partículas actual. La teoría predice que, de existir, los axiones se podrían transformar en fotones (y viceversa) en el seno de campos electromagnéticos. Esta propiedad predice la emisión de axiones por parte del Sol, y es crucial para diseñar experimentos que intenten detectarlos.

El ingrediente principal de un experimento de axiones es por tanto un potente imán. El grupo de la Universidad de Zaragoza liderado por Irastorza lleva más de una década participando en el experimento CAST en el CERN de Ginebra, que usa uno de los prototipos de los imanes superconductores del LHC del CERN para buscar axiones solares. A modo de un singular telescopio solar, se hace apuntar el imán al sol, y se buscan los rayos X esperables de la conversión de los axiones solares en el imán. CAST no ha detectado axiones, pero ha conseguido sensibilidades nunca antes logradas, poniendo cotas importantes a las propiedades de estas partículas, un resultado que tuvo un gran eco en revistas especializadas el año pasado.

El proyecto IAXO

El Observatorio Internacional de Axiones (IAXO) es un nuevo proyecto que nace como una ambiciosa extensión de CAST. Concebido sobre la experiencia de este último, IAXO promete ser más de diez mil veces más sensible que CAST. Para ello, se propone la construcción de un gran imán superconductor concebido específicamente para este cometido. Además del imán, el experimento cuenta con sistemas de detección de fotones (rayos X) de muy bajo fondo, basados en tecnologías desarrolladas en la Universidad de Zaragoza como parte de un proyecto anterior (proyecto T-REX) para el que Irastorza ya recibió en 2009 financiación del ERC.

El proyecto IAXO, ahora financiado, supone un paso esencial para el futuro IAXO. El objetivo es la construcción y operación de una infraestructura similar a IAXO, pero de menor tamaño, denominado BabyIAXO. Este dispositivo servirá como prototipo de todos los sistemas del experimento, imán, ópticas y detectores. Si todo va bien, BabyIAXO verá la luz en unos cuatro años, y se utilizará para realizar una primera búsqueda de axiones con posibilidad de descubrimiento. En cualquier caso, BabyIAXO servirá de demostrador para acometer la construcción de la infraestructura final de IAXO.

Aunque coordinado por Irastorza y su equipo de la Universidad de Zaragoza, en el proyecto participan 16 otras instituciones científicas de todo el mundo, incluyendo centros punteros en física de partículas como el CERN de Ginebra o DESY de Hamburgo. Este último seguramente alojará la infrestructura final de BabyIAXO. Las actividades de preparación de los detectores de rayos X, responsabilidad especial del equipo de Zaragoza, podrían llevarse a cabo en el Laboratorio de Canfranc. Finalmente, el imán de BabyIAXO podría también alojar otros tipos de experimentos de axiones, por lo que podría convertirse en una infraestructura genérica para la búsqueda de estas partículas. Si el axion existe, BabyIAXO y IAXO tendrá posibilidades de descubrirlo.

Fuente: Universidad de Zaragoza