Materia Oscura Axion

El axión es una hipotética partícula ultraligera que se ha convertido en uno de los candidatos más convincentes para materia oscura — la sustancia invisible que constituye aproximadamente el 85% de la materia del universo. Lo que hace que el axión sea especialmente atractivo es que no se inventó para explicar la materia oscura en absoluto. Se propuso resolver un problema completamente diferente y sólo más tarde resultó ser también un candidato natural para la materia oscura.

El problema del PC fuerte

La teoría de la fuerza nuclear fuerte, la cromodinámica cuántica, permite un término que haría que los neutrones tuvieran una carga ligeramente desequilibrada, dándoles un momento dipolar eléctrico. Los experimentos muestran que el momento dipolar del neutrón es sorprendentemente cercano a cero, mucho más pequeño de lo que la teoría espera naturalmente. La razón por la que la fuerza fuerte respeta esta simetría con tanta precisión es la problema de CP fuerte. En 1977, Roberto Peccei y Helen Quinn propusieron una solución elegante: una nueva simetría que lleva dinámicamente el término ofensivo a cero. El axión es la partícula sobrante que predice este mecanismo.

Por qué un solucionador de problemas produce buena materia oscura

El axión que emerge es extremadamente ligero (quizás una billonésima parte de la masa de un electrón o menos) e interactúa sólo débilmente con la materia ordinaria. En el universo primitivo, los axiones se habrían producido en grandes cantidades, sin moverse rápidamente, formando un fondo frío e invisible que gravita exactamente como lo hace la materia oscura. Una partícula introducida para fijar la fuerza fuerte también sirve como explicación principal de la masa cósmica que no podemos ver. Versiones más generales, llamadas partículas similares a axiones, aparecen en muchas teorías más allá del modelo estándar.

Cómo los experimentos buscan axiones

Los axiones pueden convertirse en fotones en un fuerte campo magnético. Detectores llamados haloscopios (como el experimento ADMX) utilizan un imán potente y una cavidad de microondas finamente sintonizada para intentar capturar axiones de materia oscura que se convierten en débiles fotones de radiofrecuencia. Como se desconoce la masa del axión, los experimentos deben explorar lentamente muchas frecuencias posibles, como sintonizar una radio para una estación cuyo número nadie conoce. Los astrónomos también buscan los fotones que los axiones producirían cerca de estrellas de neutrones magnetizadas y en nubes de gas distantes.

Un error común

Los axiones no son lo mismo que las WIMP (partículas masivas que interactúan débilmente) que durante mucho tiempo dominaron las búsquedas de materia oscura. Los WIMP son pesados; Los axiones son extraordinariamente ligeros. Los dos representan apuestas teóricas muy diferentes sobre qué es la materia oscura y, a medida que las búsquedas de WIMP han resultado vacías, los axiones han atraído una atención cada vez mayor.

Cómo un haloscopio capta un axión

El principio de detección se basa en un hecho: en un campo magnético intenso, un axión puede convertirse en un fotón con la misma energía total. Dado que la energía de un axión de materia oscura es casi en su totalidad su masa en reposo, la frecuencia del fotón está fijada por la masa del axión a través de mi = hf = m_ac². Para la ventana de masa favorecida de unos pocos microelectrones voltios, que aterriza en la banda de microondas:

m_a ≈ 1–100 µeV → f ≈ 0,24–24 GHz

Un experimento como ADMX coloca una cavidad de microondas sintonizable dentro de un potente imán y barre lentamente su frecuencia de resonancia, escuchando un leve exceso de fotones en la sintonización de la cavidad. Como se desconoce la masa del axión, la búsqueda es minuciosa: cada configuración explora sólo una pequeña parte de la frecuencia, por lo que cubrir todo el rango lleva años. La señal esperada es increíblemente débil, alrededor de las 10⁻²³ vatios, razón por la cual estos detectores utilizan amplificadores cuánticos limitados enfriados hasta casi el cero absoluto.