Los relojes atómicos para la búsqueda de los axiones como materia oscura

El axión es un firme candidato a partícula responsable de la materia oscura. Como interacciona con los fotones, se puede buscar usando telescopios solares. El famoso físico y divulgador Lawrence M. Krauss acaba de proponer su búsqueda usando relojes atómicos (gracias a que el axión modifica la relación de dispersión de las ondas electromagnéticas). La cosmología sugiere un valor para la constante de desintegración del axión de fa ≈ 1012 GeV. Según estima Krauss se puede explorar  fa ≥ 107 GeV con relojes atómicos con una precisión de zeptosegundos (10−21 s), unos dos órdenes menor que el récord actual.

Un axión con  fa ≈ 107–1014  GeV tiene una masa de  ma ≈ 10−14–10−18  eV. La materia oscura del halo galáctico equivaldría a un flujo de axiones que incide sobre un reloj atómico en la Tierra. Como resultado se modifica la relación de dispersión de los fotones en un factor κ = g ma a(t)/ω, siendo g el acoplamiento de los axiones a los fotones y ω es la frecuencia de los fotones con los que opera el reloj atómico. Para fotones de microondas con energías del orden de 10−5 eV, resulta κ ≈ 10−16 para fa ≈ 107 GeV; para fotones a frecuencias ópticas con energías del orden de 1 eV, resulta κ ≈ 10−21 para fa ≈ 107 GeV. Los relojes atómicos actuales alcanzan κ ≈ 10−19; su avance es rápido, así que a finales de la próxima década se podrán usar para buscar axiones, al menos en la parte alta para sus masas posibles.

El artículo es Lawrence M. Krauss, «Axions and Atomic Clocks,» arXiv:1905.10014 [hep-ph] (24 May 2019). Por cierto, la idea de buscar partículas de materia oscura ultraligeras usando relojes atómicos no es nueva, ya fue propuesta en A. Derevianko, M. Pospelov, «Hunting for topological dark matter with atomic clocks,» Nature Physics 10: 933-936 (17 Nov 2014), doi: 10.1038/nphys3137arXiv:1311.1244 [physics.atom-ph] (5 Nov 2013).



3 Comentarios

  1. Dejo aquí otra propuesta para este tipo de detección en condiciones de laboratorio mucho más sencillas y realistas, a través de búsqueda de resonancias en Josephson junctions superconductoras, propuesta por el físico Christian Beck hace unos años:
    – C. Beck, Possible resonance effect of axionic dark matter in S/N/S Josephson junctions, Phys. Rev. Lett. 111, 231801 (2013)
    preprint: https://www.newton.ac.uk/files/preprints/ni13059.pdf
    – C. Beck, Axion mass estimates from resonant Josephson junctions, Physics Dark Universe 7-8, 6-11 (2015)
    preprint: https://arxiv.org/abs/1403.5676

  2. El artículo habla del axión como una partícula real… Pero sigue siendo hipotética, verdad?

    El experimento pretende encontrar materia oscura confirmando la existencia del axión?
    (¿dos pájaros de un tiro?)

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 31 mayo, 2019
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