La semana pasada, cuando los científicos se unieron a un laboratorio italiano. Anunciado que las señales inesperadas en su detector pueden provenir de partículas subatómicas buscadas durante mucho tiempo conocidas como axionessus colegas eran cautelosamente optimistas: en física, las presuntas detecciones de nuevas partículas a menudo se vuelven insignificantes a medida que los investigadores recopilan más datos. Y hay otras explicaciones más prosaicas para los blips. Por el contrario, el argumento teórico para la existencia de axiones es convincente para muchos físicos. Y las partículas hipotéticas son uno de los principales candidatos para ello. materia oscura, la misteriosa sustancia que constituye la mayor parte del universo material. Confirmar que los axiones son reales sería un gran avance para la física de partículas, y un descubrimiento con implicaciones de gran alcance para nuestra comprensión de la composición y la historia del universo.

La historia del axión comienza en la década de 1970, cuando los físicos que desarrollaron el modelo estándar, el marco que describe las partículas conocidas y sus interacciones, notaron algo extraño sobre la fuerte fuerza nuclear que une a los quarks para formar protones y neutrones dentro de los núcleos nucleares. forma Esta fuerza de alguna manera regula la estructura de los neutrones para hacerlos perfectamente simétricos. En otras palabras, aunque el neutrón es neutral, los quarks llevan carga dentro de él, y por razones desconocidas, esta carga está increíblemente distribuida de manera uniforme (al menos hasta una parte de mil millones, según las últimas mediciones). En el lenguaje de la física de partículas, el neutrón tendría una simetría de paridad de carga (CP): invertir todas sus cargas de positivo a negativo, y al mismo tiempo mirar su comportamiento en un espejo, no tendría ningún efecto discernible. La pregunta de por qué la partícula tiene esta disposición se conoció como el «problema de CP fuerte».

Luego, en 1977, Helen Quinn y el fallecido Roberto Peccei, ambos en la Universidad de Stanford, sugirieron una solución: quizás haya un campo hasta ahora desconocido que impregna todo el espacio y suprime las asimetrías de neutrones. Los físicos teóricos posteriores Frank Wilczek y Steven Weinberg concluyeron que si el modelo estándar fuera modificado para permitir dicho campo, implicaría la existencia de una nueva partícula llamada axión. (Wilczek tuvo la idea de una marca de detergente). El axión no tendría un «giro» mecánico cuántico, lo que lo convertiría en un bosón. La masa, aunque no sea cero, sería increíblemente pequeña.

A pesar de su peso minúsculo, los axiones existirían en tal cantidad que los físicos pronto se dieron cuenta de que podían explicar gran parte de la masa que faltaba ‘del universo’: las observaciones astronómicas que datan de la década de 1930 sugieren que la materia (galaxias, estrellas, planetas, etc.) representa menos de un sexto de la masa total de toda la materia en el cosmos, mientras que la materia oscura constituye el resto. Mucho se ha discutido desde entonces sobre la naturaleza de esta materia oscura.

«El axión es en realidad un muy buen candidato para la materia oscura», dijo Peter Graham de Stanford. Además de la expectativa de que el cosmos se inundaría con las partículas, los ejes serían naturalmente ‘oscuros’, lo que significa que difícilmente interactuarían con la materia ordinaria. «Al universo le gusta producir axiones», dice Graham, «y le gusta producirlos de tal manera que pretendan ser la materia fría y oscura que sabemos que existe».

El «frío» es una advertencia importante: los axiones que según los informes detectados por los investigadores que utilizan el experimento XENON1T en el laboratorio nacional Gran Sasso en Italia probablemente se produjeron en nuestro sol. Serían muy enérgicos y, por lo tanto, probablemente no serían parte de la materia oscura. Los ejes de la materia oscura deben moverse lentamente, o en frío, para que puedan agruparse para dirigir la evolución de las galaxias gravitativamente, como se cree que hace la materia oscura. Los teóricos sospechan que tales axiones pueden haberse producido en el universo primitivo. Además, debido a que los procesos que se cree que crean axiones fríos pueden estar relacionados con el crecimiento acelerado temprano del universo, un vuelo de globo extraordinario en tamaño conocido como inflación, encontrar y estudiar más estas escurridizas partículas podría ayudar a los físicos. primeros momentos después del big bang. Si bien el descubrimiento de axiones no probaría la inflación, proporcionaría información valiosa sobre la física de la época, según Graham. «Para mí, eso es emocionante con los axiones», agrega.

Sin embargo, los científicos reaccionan con cautela, incluidos los del equipo XENON1T. De lo único que están seguros es de que han visto una cantidad sorprendentemente grande de ‘flashbacks’ de electrones en el enorme recipiente de xenón líquido que es el corazón del experimento. Lo que hizo saltar los electrones está en debate. Si las partículas subatómicas llamadas neutrinos tienen propiedades magnéticas imprevistas, esta disposición puede explicar los resultados observados. O la explicación podría ser más mundana: el xenón solo podría estar contaminado con tritio, una forma más pesada de hidrógeno cuya radiación natural podría nublar la señal XENON1T. Además, el nivel de confianza asociado con la señal anómala es solo «3.5 sigma», lo que significa que existe una probabilidad de 1 en 5,000 de que la «señal» sea en realidad solo ruido, producto de fluctuaciones estadísticas en lugar de nuevas reales. física. Esas probabilidades pueden sonar bien, pero están muy por debajo del estándar de uno en 3.5 millones, o ‘cinco sigma’, tradicionalmente vinculado a descubrimientos legítimos en física de partículas.

Además de recopilar más datos y actualizar su experimento, los investigadores de XENON1T buscarán cualquier cambio anual en la señal aparente. Los ejes solares deberían hacer que esa señal fluctúe a medida que la Tierra gira alrededor del sol. Mientras tanto, la evidencia puede provenir del Axion Dark Matter Experiment (ADMX) en la Universidad de Washington o de un experimento conocido como CAST (CERN Axion Solar Telescope) en el CERN cerca de Ginebra. ADMX ya ha logrado imponer nuevas restricciones a la masa del axión y CAST ha estado buscando ejes solares desde 2003.

Si los axiones demuestran ser reales, sería «un triunfo de la física teórica» ​​haber hecho un argumento tan estético, y luego la naturaleza dice: «Sí, eso es correcto», dice Wilczek, quien está basado en Massachusetts Institute of Technology y fue co-receptor del Premio Nobel de Física 2004 por su trabajo teórico sobre energía nuclear fuerte. La existencia de axiones, dice, apuntaría a una nueva física fuera del modelo estándar, algo que él y sus colegas han anticipado durante décadas. Se pueden construir nuevos tipos de antenas para buscar axiones hechos en el universo temprano, argumenta Wilczek. Si estos axiones se pueden medir con éxito, «abriría un nuevo capítulo en astronomía», agrega, ya que el comportamiento de las partículas podría arrojar luz sobre la formación de galaxias y «posiblemente otras cosas sorprendentes».

Si bien es probable que tales desarrollos sean Nobles, Wilczek no libera espacio en su estante para una segunda medalla. Pero si otro Nobel llegara a él, dice, «no lo rechazaría».



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