La búsqueda del axión como candidato a materia oscura

Por Francisco R. Villatoro, el 3 junio, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 4

Dibujo20140530 estimated constraints axion light particle parameter space - nucleon edm - arxiv

Hay quien afirma que todas las partículas predichas por el Modelo Estándar han sido encontradas. No es cierto. La Cromodinámica Cuántica (QCD) debe violar la simetría CP, pero los experimentos indican que no lo hace. La solución más sencilla al llamado problema CP fuerte fue propuesta en 1977 por Peccei y Quinn, la existencia del axión, una partícula escalar, como el bosón de Higgs, pero de baja masa (entre meV y μeV).

Si no existe la axión QCD (repito, una predicción del modelo estándar) debe existir otra cosa que resuelva el problema (una solución más allá del model estándar). Al axión (que es un pseudobosón de Goldstone) le pasa lo mismo que al bosón de Higgs. Mucha gente pensaba que el bosón de Higgs no existía porque no fue encontrado por los experimentos. Se propusieron muchas soluciones alternativas a su existencia, pero todas eran versiones «complicadas» del mecanismo de Brout-Englert-Higgs. Aún así, siempre quedaba un hueco no explorado, un escondrijo para el Higgs, hasta que fue encontrado en 2012. 

Permíteme recordar la situación actual de la búsqueda del axión QCD en los experimentos. La figura que abre esta entrada está extraída del breve artículo de Dmitry Budker et al., «Cos.mic Axion Spin Precession Experiment (CASPEr),» Phys. Rev. X 4: 021030, 2014arXiv:1306.6089 [hep-ph].

El premio Nobel de Física Gerardus ‘t Hooft demostró que el vacío QCD (de la interacción fuerte entre quarks y gluones) viola la simetría CP (combinación de las simetrías discretas de conjugación de carga y paridad). Esta violación implica que el neutrón tiene un momento dipolar eléctrico (EDM) grande. Sin embargo, los experimentos que lo han buscado no lo han encontrado. Por tanto, la QCD no viola la simetría CP o lo hace muy poco.

La solución más sencilla a un problema importante en el Modelo Estándar es añadir una nueva partícula o una nueva simetría. En 1977, Roberto Peccei y Helen Quinn publicaron la solución más elegante y sencilla al problema CP fuerte en QCD, el mecanismo de Peccei–Quinn. La idea es añadir una nueva simetría global que está rota, conduciendo a la existencia de una nueva partícula escalar (un pseudobosón de Goldstone), llamada axión, que tiene una masa muy pequeña.

La interacción de los axiones con la materia bariónica es muy pequeña, por ello son un firme candidato para la materia oscura. Sin embargo, en presencia de campos magnéticos muy intensos, deben interaccionar con los fotones, lo que permite diseñar experimentos para buscarlos.

Dibujo20140530 PVLAS experiment - prototype apparatus - university ferrara - italy

La búsqueda del axión ha sido infructuosa hasta el momento, aunque hubo una famosa falsa alarma en 2005. El experimento italiano PVLAS, en el INFN, estudia el vacío del campo electromagnético mediante un láser de luz polarizada que atraviesa una región vacía en el interior de un campo magnético de 5 T. La polarización de la luz debe rotar un ángulo muy pequeño debido a efectos no lineales en el vacío. Entre 2000 y 2005 se observó una señal 10.000 veces mayor de la esperada. Todo apuntaba a la existencia de una partícula de espín cero (escalar o pseudoescalar) con una masa ≈ 1 meV y una constante de acoplo cuya inversa es ≈ 400 TeV.

Sin embargo, el experimento CAST, en el CERN, debería haber observado un axión con dichas características. Como no lo ha hecho, la observación de PVLAS ha sido puesta en entredicho; muchos expertos creen que la medida está falseada por errores sistemáticos no considerados en los análisis originales. En la Universidad de Ferrara, Italia, se está preparando la segunda versión del experimento con un elipsómetro mejorado. Todavía no se han publicado nuevos resultados.

Dibujo20140530 ADMX experiment - achieved and projected sensitivity - whaasington - usa

También está buscando los axiones el experimento estadounidense ADMX (Axion Dark Matter Experiment) que ha excluído los axiones entre 1,9 μeV y 3,53 μeV. La búsqueda continúa con nuevas propuestas de experimentos, como CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), que buscanel axión QCD y otras paratículas similares al axión (ALP por axion-like-particle).

Las búsquedas del axión en laboratorio se basan en su desintegración en fotones en presencia de un campo magnético intenso. También se están buscando señales astrofísicas en los telescopios espaciales de rayos gamma y señales cosmológicas indirectas. Estas búsquedas son menos espectaculares que las del Higgs en colisionadores, tanto Tevatrón en el Fermilab, como LHC en el CERN. Sin embargo, todavía queda hueco suficiente en los intervalos de exclusión y se requieren experimentos futuros para explorar en detalle estos huecos.

Las predicciones del modelo estándar todavía no han sido verificadas de forma completa y con toda seguridad seguirán dándonos agradables sorpresas en un futuro no muy lejano (espero).



4 Comentarios

  1. Hola Francis, dices «La interacción de los axiones con la materia bariónica es muy pequeña, por ello son un firme candidato para la materia oscura.»

    Me pregunto que si la meteria oscura ha contribuido a agrupar galaxias, gravitacionalmente supongo, para que no se dispersen, esto quiere decir que la materia oscura interacciona bien con la la materia bariónica. En este caso creo que los axiones no pueden ser un firme candidato para la materia oscura ya que su interacción con la materia bariónica es muy pequeña. A menos que la interacción gravitatoria se entienda como una interacción «pequeña».

    1. Antonio, para explicar la formación de las galaxias basta la materia oscura, la contribución de la bariónica es pequeña. La interacción no es puramente gravitatoria en ningún caso (si no existe otra interacción sería imposible detectar las partículas de materia oscura en los experimentos); todo el mundo supone que la interacción existe pero es muy débil, lo suficiente para que la materia oscura alcance un equilibrio termodinámico sin que le importe la materia bariónica.

      Saludos
      Antonio

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