La búsqueda más precisa de una misteriosa partícula que podría explicar la materia oscura

Unos científicos han establecido el límite más restrictivo hasta la fecha en la búsqueda de axiones, unas partículas por ahora solo teóricas que podrían ser la clave para resolver dos de los mayores misterios de la física moderna.

El trabajo es obra de científicos del Centro de Astropartículas y Física de Altas Energías (CAPA) de la Universidad de Zaragoza en España, en colaboración internacional con el CERN (el Laboratorio Europeo de. Física de Partículas).

Los resultados del nuevo estudio, publicados en la revista académica Physical Review Letters, representan la culminación de dos décadas de trabajo en la colaboración internacional de CAST (CERN Axion Solar Telescope), demostrando que, si los axiones existen, su interacción con la luz debe ser aún más débil de lo esperado. «Este resultado no solo mejora nuestros resultados anteriores, sino que supera incluso los límites derivados de argumentos astrofísicos muy competitivos, como las derivadas de la observación de estrellas en cúmulos globulares», explica Igor G. Irastorza, líder del proyecto en la Universidad de Zaragoza. «Es especialmente significativo porque, a diferencia de las observaciones astrofísicas, nuestro resultado se basa en medidas directas realizadas en condiciones controladas de laboratorio».

Los axiones son unas partículas postuladas a finales de los años 70 que podrían explicar simultáneamente el origen de la materia oscura y resolver uno de los enigmas más profundos de la física de partículas, el “problema CP fuerte”. Los axiones son además candidatos ideales para explicar la materia oscura, esa misteriosa forma de materia que constituye aproximadamente el 85% de toda la materia del universo y que, a día de hoy, solo podemos detectar por sus efectos gravitacionales.

El experimento CAST hace uso de un imán prototipo del acelerador de partículas LHC reconvertido en un telescopio muy especial, capaz de apuntar al núcleo solar y convertir axiones en rayos X detectables. El grupo del CAPA ha logrado duplicar la eficiencia de detección de estos axiones en la última fase del experimento CAST. «Durante el desarrollo de mi tesis, hemos logrado mejorar significativamente la sensibilidad del experimento”, señala Cristina Margalejo, investigadora predoctoral del CAPA especializada en detectores de rayos X de ultrabajo fondo. “Esto nos ha permitido establecer estos límites tan restrictivos en la búsqueda de axiones. La clave ha sido el desarrollo de nuevas técnicas de análisis y el uso de una nueva óptica de rayos X, que, junto con una nueva mezcla de gases para nuestro detector basada en xenón, nos ha permitido reducir el ruido de fondo donde esperamos la señal.”

Cristina Margalejo en el experimento CAST del CERN, donde se han logrado los resultados más precisos hasta la fecha en la búsqueda de axiones solares. (Foto: CAPA / Universidad de Zaragoza / CERN)

El nuevo límite establecido para el acoplamiento axión-fotón es de 5.8×10⁻¹¹ GeV⁻¹, lo que representa una mejora sustancial respecto a medidas anteriores. «Los resultados pueden visualizarse en lo que llamamos un gráfico de exclusión, que es como un mapa donde vamos descartando las regiones donde el axión no puede habitar», explica Jaime Ruz, experto en óptica de rayos X con amplia experiencia en CAST. «Con CAST hemos logrado explorar masas de axiones con una sensibilidad que ningún otro experimento había alcanzado antes, acercándonos a una región muy prometedora donde la teoría predice los principales modelos de axiones, aunque también podríamos encontrar otras partículas de tipo axiónico fuera de esta región».

Todo el conocimiento técnico acumulado será fundamental para IAXO (Observatorio Internacional de Axiones), el siguiente gran proyecto en este campo que se está construyendo en el Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY, por sus siglas en alemán). El observatorio IAXO, liderado por Igor G. Irastorza desde la Universidad de Zaragoza, representará un salto cualitativo en la búsqueda de axiones, con una sensibilidad muy superior a la del CAST. Los avances técnicos desarrollados por el equipo del CAPA, que lidera el diseño y construcción de los sistemas de detección del IAXO, serán cruciales para el éxito de esta nueva infraestructura científica. (Fuente: CAPA / Universidad de Zaragoza)