sábado, 27 de junio de 2015

¿Materia oscura? Lávala con Axión

La identidad de la(s) partícula(s) que constituyen la materia oscura es, a día de hoy, un misterio. Lo único claro es que las partículas usuales del modelo estándar no son capaces de explicar las observaciones cosmológicas. Así que hay que buscar nuevos candidatos. Uno de los más prometedores es el axión.

Un problema muy fuerte

En física de partículas las simetrías son un elemento fundamental para construir las teorías. Tenemos simetrías gauge, simetrías de Lorentz y tres simetrías discretas: la reflexión espacial \(P\) (que cambia las coordenadas \(\vec{x}\) por \(-\vec{x}\)), la conjugación de carga \(C\) (que intercambia partículas y antipartículas) y la inversión temporal \(T\) (que cambia el sentido del tiempo).
En un inicio se pensaba que las teorías físicas respetaban las tres simetrías discretas. Sin embargo, los resultados experimentales de Wu mostraron que en las interacciones débiles se violaba la simetría \(P\). La siguiente hipótesis fue pensar que, aunque no se respetara la simetría \(P\), sí que se cumpliría la simetría \(CP\), es decir, cambiar partículas por antipartículas y darle la vuelta a las coordenadas. Pero de nuevo los experimentos dieron al traste con esta teoría, en este caso en la desintegración débil de los kaones (Nobel para Cronin y Fitch en 1980). Así que ahora tenemos que conformarnos con la simetría \(CPT\), que se tiene que cumplir para que no se viole la causalidad.

Una vez que la simetría \(CP\) perdió su estatus de pieza fundamental en la física de partículas, se investigó su papel en otras interacciones además de la débil. En concreto, se encontró que la interacción fuerte también admitía un término que violara la simetría \(CP\). Este término depende de un ángulo $\theta$. Pero los experimentos indican que las interacciones fuertes respetan la simetría \(CP\), lo que indica que \(\theta = 0\). A priori no hay ningún argumento que requiera que \(\theta=0\) en vez de cualquier otro valor, y el hecho de que así sea requiere un ajuste fino (fine tuning) de los parámetros. Esto es algo muy feo en física, y constituye lo que se conoce como problema CP fuerte.

Axión al rescate

La solución propuesta por Peccei y Quinn al problema CP fuerte fue el axión. En vez de ver \(\theta\) como un parámetro fijo, consideraron que era un campo \(\theta(x)\) con su propia dinámica, el campo axiónico. Para minimizar la energía, el valor de este campo era de manera natural \(\theta(x)=0\).
Los nombres que reciben las partículas son, en muchas ocasiones, bastante particulares: ya hemos visto partículas extrañas, con belleza (incluso belleza oculta), quarks, y puede que algún día hablemos de fantasmas y de pingüinos... El caso del axión no es una excepción. Uno de los padres del concepto, Frank Wilczek, se había quedado sin ideas de cómo llamar a este campo. Pero la inspiración le llegó en el momento más insospechado: mientras hacía la colada. El detergente que estaba usando era de la marca Axion, y el nombre le pareció llamativo, adecuado porque el nuevo campo "limpiaba" el problema, y además acababa en -on, como muchas de las pertículas ya conocidas.
Como en todo campo, hay una partícula asociada, el axión. El mecanismo de Peccei-Quinn requiere que el axión sea un bosón escalar (es decir, con espín 0) con masa muy pequeña y eléctricamente neutro. 
El axión interacciona con la materia ordinaria de una manera muy débil: en un campo magnético muy intenso, un axión se puede transformar en un fotón, que sí se puede detectar.
Además, tras el big bang se habrían creado una gran cantidad de axiones, aun presentes hoy en día. Esto se debe a que en el universo primigenio el ángulo \(\theta(x)\) tomaba distintos valores en diversas regiones del universo, y durante su expansión \(\theta\) fue tendiendo a cero, creando excitaciones del campo, esto es axiones. Así que tenemos un gran número de partículas, que crean un campo gravitatorio pero por lo demás apenas se relacionan con las demás. Por ello se propone que los axiones puedan ser uno de los constituyentes de la materia oscura.

Telescopios de axiones

De momento, los axiones son solamente partículas hipotéticas. Sin embargo, hay varios experimentos diseñados para observarlos. Hace unos meses, el telescopio de rayos X XMM-Newton de la ESA reportó un exceso de rayos X que podría estar causado por la conversión de axiones en fotones en el campo magnético terrestre.
Variación temporal del flujo de rayos X procedentes de axiones detectado por XMM-Newton [fuente]
De entre todos los experimentos que tratan de buscar axiones, unos de los más prometedores son los telescopios de axiones del CERN. Estos aparatos no buscan axiones que formen parte de la materia oscura, sino los que se producirían en el Sol. El experimento CAST, en marcha desde 2003, consta de un imán superconductor igual a los que se emplean en LHC y un detector de rayos X, que apuntan hacia el Sol durante el amanecer y el anochecer. 

El CAST no ha encontrado señales de axiones en el rango de masas que es capaz de observar, por lo que ya está en marcha el diseño de su sucesor, el IAXO, que cuenta con imanes más potentes especialmente diseñados para esta misión. Tanto CAST como IAXO tienen una importante contribución española, de la Universidad de Zaragoza.

Para saber más

P. Berné: Aragón diseña un 'telescopio' para ver la materia oscura. Heraldo de Aragón, 27/672015
Enrique F. Borja: Materia oscura - toma uno - claqueta - axión. Cuentos cuánticos
Francisco R. Villatoro: La búsqueda de las axiones como candidatos a materia oscura. La ciencia de la mula Francis