Nueva página en la investigación de la materia oscura
Descubre el misterio de la materia oscura y cómo un equipo de investigadores ha desarrollado una técnica para detectarla.
Nueva página en la investigación de la materia oscura: fotones que imitan a los axiones reescriben el camino hacia el universo invisible. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz. - Filamentos en el universo y esferas de colores
Por Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
10.01.2025
La materia oscura sigue intrigando a los científicos y no deja de sorprender. Aunque se estima que constituye el 85% de toda la materia del cosmos, su naturaleza sigue siendo un misterio, aunque también hay que tener en cuenta que no es una "simple teoría". Detectarla ha sido un desafío monumental, comparable a intentar escuchar un susurro en medio de una tormenta.
Sin embargo, un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) en Singapur ha desarrollado una técnica que promete cambiar esta situación. Su estudio, publicado en la revista Science, detalla el diseño de cristales que permiten a partículas de luz (fotones) comportarse como axiones, uno de los candidatos teóricos más prometedores para explicar la materia oscura. Este avance abre una puerta para finalmente detectar estas partículas elusivas y comprender mejor el universo.
Recordando qué es la materia oscura
La materia oscura se describió por primera vez en la década de 1930 para explicar un problema gravitacional: las galaxias giran a velocidades tan altas que deberían desintegrarse, pero algo invisible parece mantenerlas unidas. Este “pegamento cósmico” es esencial para entender cómo se forman y evolucionan las galaxias.
Uno de los aspectos más frustrantes de la materia oscura es que no interactúa con la luz ni con los campos eléctricos, lo que hace imposible detectarla con los instrumentos tradicionales. Sin embargo, las teorías predicen que está formada por partículas subatómicas. Entre estas, los axiones destacan como una de las hipótesis más sólidas. Estas partículas, propuestas por primera vez en 1977, podrían haber surgido en los primeros momentos del universo, durante el Big Bang.f
Aunque los axiones son increíblemente difíciles de observar, su detección sería un cambio de paradigma. "Los resultados de nuestras nuevas estructuras cristalinas nos dan más confianza en que algún día podríamos usar estos cristales para detectar axiones reales", explicó el profesor Zhang Baile, líder del equipo de NTU.
La materia oscura es como un “pegamento cósmico”. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
La innovación: fotones que imitan a los axiones
El descubrimiento del equipo de NTU parte de un enfoque poco convencional. En lugar de buscar directamente axiones, los investigadores decidieron demostrar que partículas conocidas, como los fotones, pueden comportarse como axiones bajo ciertas condiciones. Para lograrlo, diseñaron cristales de granate de hierro-itrio, un material con propiedades magnéticas y ópticas únicas.
En sus experimentos, observaron que los fotones viajaban dentro de los cristales siguiendo trayectorias tridimensionales específicas, algo que coincide con las predicciones teóricas del movimiento de los axiones. Este comportamiento fue descrito como un “paso crucial” hacia la detección de los axiones reales.
Por otra parte, el estudio señala que estos cristales podrían amplificar señales débiles de fotones convertidos a partir de axiones, lo que los convierte en una herramienta potencialmente revolucionaria para la ciencia.
Lo original del estudio es usar fotones que se comportan como axiones. Fuente: Midjourney /Eugenio Fdz.
El desafío de detectar axiones reales
Aunque la teoría predice que los axiones pueden convertirse en fotones en presencia de un campo magnético extremadamente fuerte, hasta ahora ningún experimento ha logrado capturar este fenómeno. Parte del problema radica en que las señales generadas por estas conversiones son tan débiles que se pierden entre el ruido ambiental.
El equipo de NTU espera que sus cristales puedan resolver esta limitación. Al combinar las propiedades magnéticas de los cristales con condiciones experimentales más precisas, los científicos podrían “escuchar” señales previamente inaudibles. Sin embargo, este avance requerirá una inversión significativa de tiempo y recursos para perfeccionar los diseños y llevar los experimentos al siguiente nivel.
Una representación visual del universo donde la materia oscura actúa como el 'pegamento invisible' que sostiene las estructuras cósmicas, manteniendo en equilibrio lo visible y lo desconocido. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Opinión de la comunidad científica
El estudio ha sido recibido con entusiasmo por la comunidad científica. El profesor Yannis Semertzidis, del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, calificó la investigación como “un avance significativo”. Según él, los cristales diseñados por el equipo de NTU podrían convertirse en una herramienta práctica para la búsqueda de materia oscura en un futuro próximo.
“Estas estructuras cristalinas están perfectamente adaptadas para la detección de axiones y se espera que se conviertan en una herramienta práctica para la búsqueda de materia oscura en el futuro próximo”, añadió el profesor Semertzidis.
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Referencias
Zhang Baile et al. Photonic axion insulator, Science, 9 January 2025. DOI: 10.1126/science.axion2025
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Fuente:
