CIENTÍFICOS PROPONEN CÓMO DETECTAR AXIONES, LOS LADRILLOS CONSTITUYENTES DE LA MATERIA OSCURA

Eugenio M. Fernández Aguilar

Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital

21.10.2024 | 05:51

Muchos descubrimientos científicos son vistos, en sus inicios, como inútiles o, simplemente, divertimentos de laboratorio o experimentos para mostrar en ferias de la ciencia. No obstante, la historia de la ciencia nos ha demostrado que el descubrimiento más aislado y poco útil puede ser la clave para entender grandes enigmas del universo o para encontrar aplicaciones que no habíamos pensado, ¿O es que ya no recordamos el auge de la PCR a causa de la pandemia de COVID? Algo parecido pasa con el espato de Islandia, un mineral del que salen dos misteriosos rayos cuando es iluminado con un solo rayo. Descubierto en 1669, ha sido un objeto ampliamente usado par "entretener" encuentros educativos durante década. Hoy, la propiedad que explica su comportamiento, la birrefringencia, podría explicar la materia oscura.

La materia oscura es uno de los mayores misterios del universo. Aunque no podemos verla ni tocarla, sabemos (o suponemos) que está ahí debido a su influencia gravitacional sobre las galaxias y otras estructuras cósmicas. Sin embargo, su verdadera naturaleza sigue siendo un enigma. Una de las hipótesis más interesantes es que la materia oscura podría estar compuesta por partículas llamadas axiones, que, aunque sean extremadamente difíciles de detectar, podrían estar presentes en todo el universo.

Un reciente experimento, llamado Axion Dark-Matter Birefringent Cavity (ADBC), ha dado un paso innovador en la búsqueda de estas misteriosas partículas. El experimento, dirigido por investigadores del Laboratorio LIGO del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), busca detectar axiones observando cómo afectan a las ondas electromagnéticas en una cavidad óptica especialmente diseñada. Aunque no se ha detectado ningún axión hasta ahora, los resultados obtenidos son fundamentales para mejorar las técnicas de búsqueda futuras.

Los axiones son partículas hipotéticas propuestas por primera vez en la década de 1970 como una solución al "problema de la simetría CP fuerte" en la cromodinámica cuántica (QCD), que es la teoría que describe la interacción fuerte entre los quarks y los gluones. Este problema surge de la expectativa de que ciertas interacciones entre estas partículas violen una simetría fundamental conocida como simetría CP (carga-paridad), lo cual no se ha observado experimentalmente. Para resolver esta discrepancia, el físico Roberto Peccei y su colega Helen Quinn propusieron un nuevo mecanismo teórico que introducía una nueva partícula: el axión. Posteriormente, en 1978, Frank Wilczek y Steven Weinberg (de forma independiente) propusieron que el axión sería el bosón de Goldstone de la teoría de Peccei-Quinn, consolidando su importancia en la física de partículas.Aunque en un principio el axión fue concebido para resolver un problema en la QCD, su potencial como componente de la materia oscura lo ha convertido en el foco de investigaciones cosmológicas.

Los axiones tienen características que los hacen candidatos ideales para explicar la materia oscura. En primer lugar, se cree que son partículas extremadamente ligeras, con masas que varían desde fracciones diminutas de un electrónvoltio (eV) hasta valores incluso mucho menores, dependiendo del modelo teórico. En segundo lugar, interactúan de manera muy débil con la materia ordinaria y con la radiación, lo que las hace extremadamente difíciles de detectar en experimentos convencionales. Esta misma interacción débil, sin embargo, es lo que les permite atravesar la materia casi sin ser perturbadas, un rasgo similar al que se asocia con la materia oscura, que tampoco interactúa de manera directa con la luz u otros tipos de radiación.

A pesar de ser partículas ultraligeras, su posible abundancia en el universo hace que jueguen un papel crucial en la cosmología. Los axiones podrían haber sido producidos en grandes cantidades durante los primeros instantes después del Big Bang, y se habrían acumulado formando lo que conocemos como materia oscura. Si bien no interactúan directamente con la materia visible ni con la radiación electromagnética, los axiones podrían influir en el comportamiento gravitacional de las galaxias y los cúmulos galácticos, lo que ayudaría a explicar por qué estas estructuras cósmicas se mantienen cohesionadas.

La materia oscura constituye aproximadamente el 85% de la masa del universo, pero no interactúa con la luz, una propiedad la hace invisible a nuestros ojos. La única forma de detectar su presencia es a través de su interacción gravitacional con la materia visible. Sin ella, las galaxias y los cúmulos de galaxias no podrían mantenerse unidos tal como los observamos. Sin embargo, la verdadera naturaleza de la materia oscura sigue siendo una incógnita.

Existen varias hipótesis sobre la composición de la materia oscura. Una de las propuestas más potentes es que esté compuesta de partículas ligeras como los axiones. Estas partículas no emiten, absorben ni reflejan luz, lo que las hace extremadamente difíciles de detectar. Sin embargo, su presencia podría deducirse mediante experimentos que estudian sus interacciones con campos electromagnéticos, como el llevado a cabo por el equipo del MIT.

El Axion Dark-Matter Birefringent Cavity (ADBC) es un experimento pionero diseñado para detectar axiones utilizando una cavidad óptica sensible a una propiedad especial llamada birrefringencia. Esta propiedad describe cómo ciertos materiales dividen una onda de luz en dos componentes que viajan a diferentes velocidades. Si los axiones existen, podrían causar una ligera diferencia en la velocidad de las ondas de luz polarizadas en una cavidad óptica, lo que generaría una señal detectable.

Este experimento utiliza una cavidad de tipo "bow-tie" o lazo (la pajarita que se pone en el cuello de las camisas), junto con un láser de 1064 nm, lo que permite a los científicos sintonizar la cavidad para explorar diferentes masas de axiones. Los primeros resultados del ADBC cubrieron una gama de masas de axiones sorprendentemente pequeñas, entre 40.9 y 56.7 neV/c², pero no se detectaron señales concluyentes de axiones. Sin embargo, este experimento es un avance significativo en el campo porque es la primera vez que se utiliza una cavidad óptica sintonizable y limitada por el ruido cuántico para buscar axiones en este rango de masas. Para que nos hagamos una idea, la masa que se puede medir es de unos 10 billones de veces menor que la masa de un electrón.

Los resultados del experimento ADBC no arrojaron detecciones directas de axiones. A pesar de ello, los investigadores pudieron poner límites superiores a la posible interacción entre los axiones y los fotones.

El equipo de investigación espera mejorar el experimento en futuras versiones. Algunas de las mejoras sugeridas incluyen aumentar la potencia intracavidad, construir cavidades más largas y reducir la transmisión de los espejos para incrementar la sensibilidad. Además, planean automatizar el proceso de ajuste de la cavidad, algo que permitirá un escaneo más suave y continuo de la gama de masas de axiones.

Además, una opción que el equipo está considerando es la posibilidad de utilizar contadores de fotones individuales, en lugar de la lectura heterodina utilizada actualmente. Este enfoque, si se puede implementar con éxito, podría mejorar aún más la sensibilidad del experimento al detectar incluso señales extremadamente débiles producidas por los axiones. Aunque este tipo de técnicas aún está en desarrollo, sus proyecciones sugieren que podrían permitir avances significativos en la búsqueda de axiones.

La birrefringencia es un fenómeno óptico que ocurre cuando un material parece presentar dos índices de refracción diferentes para dos polarizaciones de la luz que viajan a través de él. Esto provoca que un rayo de luz se divida en dos rayos, cada uno con una velocidad distinta dentro del material. Lo sorprendente es que esto se traduce en que aparecen dos diferentes trayectorias. En otras palabras, cuando un rayo de luz atraviesa un material birrefringente, se divide en dos rayos con diferentes velocidades y trayectorias, debido a la estructura cristalina del material. Estos dos rayos son llamados el ordinario y el extraordinario, y viajan por el material con índices de refracción distintos, lo que provoca que se desvíen en ángulos diferentes. Este fenómeno fue descrito por primera vez en el siglo XVII por el científico danés Rasmus Bartholin mientras estudiaba un mineral conocido como espato de Islandia.

El espato de Islandia es una forma transparente de calcita, un mineral de carbonato de calcio que se encuentra principalmente en depósitos en Islandia, de ahí su nombre. Este material es célebre por sus fuertes propiedades birrefringentes, que lo hacen ideal para demostrar y estudiar este fenómeno óptico. Cuando un rayo de luz incide en un trozo de espato de Islandia, se divide claramente en dos rayos visibles, lo que facilita observar la doble refracción. Debido a su transparencia y sus características ópticas, el espato de Islandia fue muy utilizado en instrumentos ópticos históricos, como los polariscopios, para estudiar la luz polarizada.

La birrefringencia tiene aplicaciones importantes en diversas áreas científicas, especialmente en óptica y física. En el contexto de la búsqueda de axiones, como se investiga en el experimento ADBC, la birrefringencia juega un papel fundamental. Los axiones podrían generar pequeñas diferencias en la velocidad de la luz polarizada, creando un efecto birrefringente. El estudio de este fenómeno en cavidades ópticas podría proporcionar pistas sobre la existencia de estas partículas hipotéticas, haciendo de la birrefringencia una herramienta clave en los experimentos de detección de materia oscura.

Swadha Pandey, Evan D. Hall, Matthew Evans. First Results from the Axion Dark-Matter Birefringent Cavity (ADBC) Experiment. Physical Review Letters, Volumen 133, 111003 (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.111003.