Un ambicioso cálculo realizado con un superordenador ha traído buenas y malas noticias para los físicos que buscan el axión, una partícula hipotética que muchos creen que podría dar cuenta de la materia oscura. El nuevo resultado sugiere que el axión podría ser entre diez y cien veces más masivo de lo que se pensaba. De ser así, el dato aportaría una valiosa pista para encontrarlo. Sin embargo, también implicaría que uno de los experimentos que lleva años buscándolo podría no detectarlo nunca, ya que fue diseñado para observar axiones mucho más ligeros.

El axión fue propuesto en 1977 como posible solución a un rompecabezas relacionado con las interacciones fuertes, la fuerza que mantiene unidos a los quarks en el interior de partículas como el protón. En concreto, la existencia del axión ayudaría a explicar por qué la cromodinámica cuántica parece respetar cierta simetría relacionada con el intercambio de materia y antimateria cuando, en principio, no hay ninguna razón para ello. Al mismo tiempo, numerosos físicos piensan que el axión podría ser uno de los componentes de la materia oscura, la sustancia invisible que se cree que da cuenta del 85 por ciento de toda la masa del universo. Por tanto, si el axión existiese, resolvería dos problemas de una tacada.

Partículas ultraligeras, pero no tanto

Los físicos llevan años tratando de identificar las exóticas partículas que se piensa que componen la materia oscura, una sustancia cuya existencia solo ha sido inferida de manera indirecta a partir del intenso efecto gravitatorio que ejerce sobre las estrellas y las galaxias. Hasta ahora, sin embargo, todos los experimentos diseñados para encontrar sus partículas constituyentes han acabado con las manos vacías. La mayoría de ellos se han centrado en buscar un tipo concreto de partículas: las llamadas “partículas masivas que interaccionan débilmente” (WIMP, por sus siglas en inglés), consideradas las favoritas por un gran número de expertos.

El Experimento sobre Materia Oscura Axiónica (ADMX) ha liderado los esfuerzos por centrarse en una explicación alternativa: el axión. Su instrumento detector consta de un gran cilindro metálico en cuyo interior se genera un intenso campo magnético. En teoría, ello podría inducir una interacción entre axiones y fotones que, posteriormente, dejaría una señal medible. El experimento comenzó a operar en 1996 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en California, y en 2010 se trasladó a la Universidad de Washington en Seattle.

Varios cálculos previos sugerían que la masa del axión debería rondar los 5 microelectronvoltios (μeV), unos 100 mil millones de veces menos que la masa del electrón, explica Pierre Sikivie, físico teórico de la Universidad de Florida en Gainesville y miembro de la colaboración ADMX. Por esa razón, el experimento fue diseñado para alcanzar su máxima sensibilidad en torno a dicha masa.

Sin embargo, en un artículo publicado recientemente en Nature, Zoltan Fodor, físico teórico de la Universidad de Wuppertal, y otros investigadores han presentado los resultados de un largo y complejo cálculo que, bajo ciertas suposiciones, implica que la masa más probable del axión se encontraría entre los 50 y los 1500 μeV. Eso lo situaría fuera del alcance de ADMX, el cual es sensible a masas comprendidas entre 0.5 y 40 μeV. “Creo que no son muy buenas noticias para ADMX”, opina Fodor.

Una pregunta sobre el universo primitivo

Los autores del estudio usaron un superordenador del Centro de Supercomputación de Jülich, en Renania del Norte-Westfalia, para simular el proceso de creación de axiones justo después de la gran explosión que dio origen al universo. Se estima que, en aquel momento, la temperatura del cosmos ascendía a unos 1000 billones de grados, diez veces más de lo que hasta ahora habían conseguido reproducir las simulaciones de este tipo. Fue entonces cuando, en principio, se habrían producido ingentes cantidades de axiones. Para llevar a cabo su simulación, los investigadores tuvieron primero que desarrollar nuevas técnicas que acelerasen los cálculos, ya que de lo contrario estos habrían tardado millones de años en ejecutarse, explica Fodor.

La nueva simulación les permitió calcular la masa del axión bajo el supuesto de que esta partícula se creó después de que finalizase la inflación cósmica, el brevísimo período de tiempo transcurrido justo después de la gran explosión en el que, según se cree, el espacio sufrió una expansión de proporciones descomunales. Al simular el escenario en el que el axión se generó antes de ese momento, los investigadores consiguieron recrear el proceso de formación de la partícula, pero no calcular su masa.

El trabajo de Fodor y sus colaboradores constituye “una verdadera hazaña”, reconoce Leslie Rosenberg, físico experimental de la Universidad de Washington y líder del experimento ADMX: “Me quito el sombrero”, apostilla. Rosenberg admite que, si el escenario postinflacionario es correcto, el nuevo resultado podría significar que su experimento no detectará nada. Pero añade que, de no ser el caso, el hallazgo podría acabar inclinando la balanza hacia un axión más ligero y situarlo en el intervalo de masas al que ADMX sí es sensible.

Otro detector, construido en el Centro de Investigación sobre Axiones y Física de Precisión de Daejon, en Corea, podría ser sensible a masas mayores. Lo mismo ocurre con el proyecto MADMAX, propuesto por primera vez por uno de los coautores del artículo publicado en Nature.

Guido Martinelli, físico teórico de la Spienza de Roma, opina que es demasiado pronto para dar por perdido a ADMX. El físico argumenta que, por ahora, nadie sabe cuál de los dos escenarios (el pre- o el postinflacionario) es más plausible. Y añade que, incluso en el caso postinflacionario, los resultados del nuevo trabajo no son concluyentes. “Algunas de sus suposiciones son un poco apresuradas. Hace falta que otros grupos confirmen el resultado”, zanja el investigador.

Fuente: investigacionyciencia.es