Diseñan un experimento que podría llevarnos, al fin, al hallazgo real de los axiones: los ladrillos de la materia oscura
Un innovador experimento con rayos X en el European XFEL establece nuevos límites en la búsqueda de axiones, posibles partículas de materia oscura.
Diseñan un experimento que podría llevarnos, al fin, al hallazgo real de los axiones: los ladrillos de la materia oscura. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
27.02.2025
El misterio de la materia oscura ha desconcertado a los físicos durante décadas. Aunque su existencia se infiere por los efectos gravitacionales en galaxias y cúmulos estelares, nadie ha logrado detectar sus partículas constituyentes. Entre los candidatos más prometedores se encuentran los axiones, unas partículas hipotéticas que podrían resolver no solo el enigma de la materia oscura, sino también otras incógnitas de la física de partículas.
Ahora, un equipo de investigadores ha llevado a cabo un experimento innovador en el European X-Ray Free Electron Laser (EuXFEL) de Hamburgo, utilizando potentes rayos X y cristales especialmente diseñados. Los resultados, publicados en Physical Review Letters, establecen nuevos límites en la búsqueda de axiones en un rango de masas hasta ahora inexplorado y demuestran que la tecnología de láser de electrones libres puede revolucionar la detección de estas partículas.
¿Qué son los axiones y qué nos ofrece este experimento?
Los axiones fueron propuestos en la década de 1970 como una solución a un problema fundamental en la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD): la ausencia de una violación significativa de la simetría CP en las interacciones fuertes. De manera inesperada, los modelos que incluyen axiones también predicen que estas partículas podrían haber sido generadas en grandes cantidades en el universo primitivo, convirtiéndolas en un candidato natural para la materia oscura.
Para que los axiones sean materia oscura, deben interactuar de manera extremadamente débil con la luz y la materia ordinaria. Sin embargo, la interacción axión-fotón ofrece una forma indirecta de detectarlos: en presencia de un campo eléctrico o magnético fuerte, los fotones podrían transformarse en axiones y viceversa. Es precisamente este efecto el que ha sido explotado en el nuevo experimento en el EuXFEL.
Esquema del experimento: El haz de rayos X atraviesa cristales de germanio, donde podría generar axiones que luego se reconvierten en luz. Un escudo de titanio bloquea los fotones originales para facilitar su detección. Fuente: Physical Review Letters
Un láser de rayos X para buscar partículas invisibles
El experimento desarrollado en el European XFEL aprovecha un fenómeno conocido como efecto Primakoff, en el que los fotones pueden convertirse en axiones en presencia de un campo eléctrico intenso. En este caso, el equipo utilizó cristales de germanio altamente ordenados, cuyo campo eléctrico interno alcanza valores extremadamente altos, comparables a los de imanes de laboratorio de última generación.
El diseño del experimento se basa en la técnica de "light-shining-through-walls" ("luz que se filtra a través de paredes"), donde un rayo de rayos X atraviesa un primer cristal, generando potencialmente axiones. Estos axiones atraviesan una barrera opaca que bloquea los fotones y, si realmente existen, deberían reconvertirse en fotones al pasar por un segundo cristal. Los detectores colocados después del segundo cristal buscan estos fotones regenerados como evidencia indirecta de la existencia de los axiones.
Este enfoque permite explorar un rango de masas de axiones entre 0,001 eV y 10 keV, mucho más amplio que el de experimentos anteriores que utilizaban otros métodos. "Nuestra sensibilidad ya es competitiva con las de grandes aceleradores de partículas, y esto es solo el comienzo", afirmó el físico experimental Jack Halliday, autor principal del estudio.
Transmisión de rayos X: Variación de la transmisión a través de un cristal de germanio según el ángulo de ajuste. La curva central sigue un perfil gaussiano y se basa en múltiples mediciones para mayor precisión. Fuente: Physical Review Letters
¿Qué dicen los resultados?
Los datos obtenidos en el EuXFEL no han revelado la presencia de axiones, pero han permitido establecer los límites experimentales más estrictos hasta la fecha en ese rango de masas. En particular, se han descartado ciertas intensidades de interacción entre axiones y fotones que antes no podían ser verificadas.
El equipo llevó a cabo mediciones en cinco configuraciones distintas, variando el ángulo de los cristales para explorar distintos valores de la masa del axión. En todos los casos, los resultados fueron consistentes con la ausencia de señales de axiones, lo que significa que si existen, deben tener una interacción aún más débil con los fotones que la detectada en este experimento.
No obstante, este primer intento es solo una prueba de concepto. Según el equipo, mejoras en la estabilidad del alineamiento de los cristales y en la intensidad del láser permitirán en el futuro aumentar la sensibilidad por un factor de 100-150, acercándose a los valores en los que los modelos predicen que podrían encontrarse los axiones. "En el futuro, podríamos estar en la posición de detectar axiones de materia oscura con esta técnica", aseguró el investigador Gianluca Gregori.
Límites en la interacción axión-fotón: Comparación de los resultados del experimento con estudios previos. La región azul muestra las exclusiones mejoradas gracias a un mayor número de fotones, mientras que se incluyen referencias de otros experimentos para contexto. Fuente: Physical Review Letters
¿Por qué este experimento es un avance clave?
Existen otras estrategias para buscar axiones, como los experimentos con helioscopios solares o la detección de axiones relictos en experimentos de laboratorio. Sin embargo, muchos de estos métodos dependen de suposiciones sobre la cantidad y el origen de los axiones en el universo.
El enfoque del EuXFEL, en cambio, es completamente independiente de modelos cosmológicos o astrofísicos. Al generar y detectar axiones en condiciones de laboratorio controladas, los resultados no dependen de suposiciones sobre la cantidad de axiones en la Vía Láctea o la producción en estrellas. Esto lo convierte en un método complementario crucial para confirmar la existencia de estas partículas.
Además, este experimento marca la primera vez que se utiliza un láser de electrones libres de rayos X para buscar axiones, lo que abre nuevas posibilidades en la física de partículas. Si se logra mejorar la sensibilidad, EuXFEL podría convertirse en una herramienta clave para la búsqueda de materia oscura en el futuro.
Eugenio M. Fernández Aguilar
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Referencias
Halliday, J. W. D. et al. (2025). Bounds on Heavy Axions with an X-Ray Free Electron Laser, Physical Review Letters, 134, 055001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.055001.
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