La detección del axión marcaría un episodio clave en la historia de la ciencia. Esta partícula hipotética podría resolver dos problemas fundamentales de la Física Moderna al mismo tiempo:el problema de Carga y Paridad en la interacción fuerte, y el misterio de la materia oscura. Sin embargo, a pesar del gran interés científico por encontrarlo, la búsqueda en alta frecuencia de radio, por encima de 6 GHz, casi se ha dejado de lado por la falta de tecnología de alta sensibilidad que podría construirse a un costo razonable. Hasta ahora.

El Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) participará en una colaboración internacional para desarrollar el experimento DALI (Interferómetro de partículas similares a axiones y fotones oscuros), un telescopio de astropartículas para materia oscura cuyo objetivo científico es la búsqueda de axiones y parafotones en la banda de 6 a 60 GHz. El Prototipo, prueba de concepto, se encuentra actualmente en la fase de diseño y fabricación en el IAC. El libro blanco que describe el experimento ha sido aceptado para su publicación en el Revista de cosmología y física de astropartículas ( JCAP ).

Predicho por la teoría en la década de 1970, el axión es una partícula hipotética de baja masa que interactúa débilmente con partículas estándar como nucleones y electrones, así como con fotones. Estas interacciones propuestas se estudian para intentar detectar el axión con diferentes tipos de instrumentos. Una técnica prometedora es estudiar la interacción de axiones con fotones estándar.

"Los axiones se 'mezclan' con fotones bajo la acción de un fuerte campo magnético externo, como los producidos por los imanes superconductores en los detectores de partículas o los utilizados para el diagnóstico médico por resonancia magnética, y producir una señal de radio o microondas débil. Esta señal se ha buscado en una variedad de experimentos desde finales de los 80, y es solo la señal que queremos detectar ahora con DALI, aunque en una nueva gama de parámetros casi inexplorada, que será accesible por primera vez gracias a este experimento ", explica Javier De Miguel, investigador del IAC y primer autor del estudio.

Los primeros detectores de axiones, hecho en los años 80 y 90, utilizó una cavidad resonante que, dentro de un super-imán, amplificó la débil señal de microondas predicha por el axión, tratando de llevarlo a un rango de potencia detectable por instrumentos científicos. Desafortunadamente, el tamaño de la cavidad es inversamente proporcional a la frecuencia de exploración y, para el axion, los cavies eran demasiado pequeños para ser hechos para frecuencias superiores a unos 6 GHz.

Por esta razón, el nuevo experimento reúne las técnicas más prometedoras para escanear a altas frecuencias, y lo incluye en un práctico diseño al que también se suma la capacidad de detectores de astropartículas para materia oscura axiónica. De este modo, DALI comprende un potente imán superconductor, un detector de axiones con un resonador novedoso para hacer que la señal débil causada por los axiones sea detectable, y una montura altazimutal que le permite escanear objetos y regiones en el cielo en busca de materia oscura.

De esta manera, DALI podría ayudar en la detección del axión, una partícula pseudoescalar cuya naturaleza es similar a la del bosón de Higgs, descubierto en 2012 en el CERN, y un candidato prometedor para la materia oscura. La materia oscura es un componente fundamental del Universo que interactúa muy débilmente con la materia ordinaria, y por eso es muy difícil de detectar directamente, pero cuyo descubrimiento nos permitiría explicar las curvas de rotación de las galaxias espirales, y por qué la formación de la estructura en el Universo se ha desarrollado de la forma en que lo ha hecho hasta ahora, entre otros misterios.