Un fantasma ronda nuestro universo. Esto se sabe desde hace décadas en astronomía y cosmología. Las observaciones sugieren que alrededor del 85% de toda la materia del universo es misteriosa e invisible. Estas dos cualidades se reflejan en su nombre:materia oscura.

Varios experimentos han tenido como objetivo revelar de qué está hecho, pero a pesar de décadas de búsqueda, los científicos no han logrado éxito. Ahora nuestro nuevo experimento, en construcción en la Universidad de Yale en Estados Unidos, ofrece una nueva táctica.

La materia oscura ha estado alrededor del universo desde el principio de los tiempos, uniendo estrellas y galaxias. Invisible y sutil, no parece interactuar con la luz ni con ningún otro tipo de materia. De hecho, tiene que ser algo completamente nuevo.

El modelo estándar de física de partículas está incompleto y esto es un problema. Tenemos que buscar nuevas partículas fundamentales. Sorprendentemente, los mismos defectos del modelo estándar dan pistas valiosas sobre dónde pueden esconderse.

El problema con el neutrón

Tomemos, por ejemplo, el neutrón. Forma el núcleo atómico junto con el protón. A pesar de ser neutral en general, la teoría afirma que está formada por tres partículas constituyentes cargadas llamadas quarks. Debido a esto, esperaríamos que algunas partes del neutrón estuvieran cargadas positivamente y otras negativamente; esto significaría que estaba teniendo lo que los físicos llaman un momento dipolar eléctrico.

Sin embargo, muchos intentos de medirlo han llegado al mismo resultado:es demasiado pequeño para ser detectado. Otro fantasma. Y no estamos hablando de insuficiencias instrumentales, sino de un parámetro que tiene que ser inferior a una parte entre 10 mil millones. Es tan pequeño que la gente se pregunta si podría ser cero en total.

En física, sin embargo, el cero matemático es siempre una afirmación contundente. A finales de los años 70, los físicos de partículas Roberto Peccei y Helen Quinn (y más tarde, Frank Wilczek y Steven Weinberg) intentaron acomodar la teoría y la evidencia.

Sugirieron que, tal vez, el parámetro no sea cero. Más bien es una cantidad dinámica que poco a poco perdió su carga, evolucionando hasta cero, después del Big Bang. Los cálculos teóricos muestran que, si tal evento ocurrió, debe haber dejado detrás una multitud de partículas ligeras y furtivas.

Estos fueron denominados "axiones" en honor a una marca de detergente porque podían "aclarar" el problema de los neutrones. Y aún más. Si los axiones se crearon en el universo primitivo, han estado presentes desde entonces. Lo más importante es que sus propiedades cumplen todos los requisitos esperados para la materia oscura. Por estos motivos, los axiones se han convertido en una de las partículas candidatas favoritas para formar materia oscura.

Los axiones sólo interactuarían débilmente con otras partículas. Sin embargo, esto significa que todavía interactuarían un poco. Los axiones invisibles podrían incluso transformarse en partículas ordinarias, incluidos (irónicamente) fotones, la esencia misma de la luz. Esto puede ocurrir en circunstancias particulares, como en presencia de un campo magnético. Esta es una bendición para los físicos experimentales.

Diseño experimental

Muchos experimentos intentan evocar el axión-fantasma en el ambiente controlado de un laboratorio. Algunos pretenden convertir la luz en axiones, por ejemplo, y luego los axiones nuevamente en luz al otro lado de una pared.

En la actualidad, el enfoque más sensible apunta al halo de materia oscura que impregna la galaxia (y, en consecuencia, la Tierra) con un dispositivo llamado haloscopio. Es una cavidad conductora sumergida en un fuerte campo magnético; el primero captura la materia oscura que nos rodea (suponiendo que se trate de axiones), mientras que el segundo induce la conversión en luz. El resultado es una señal electromagnética que aparece dentro de la cavidad, oscilando con una frecuencia característica dependiendo de la masa del axión.

El sistema funciona como una radio receptora. Debe ajustarse adecuadamente para interceptar la frecuencia que nos interesa. En la práctica, las dimensiones de la cavidad se cambian para adaptarse a diferentes frecuencias características. Si las frecuencias del axión y de la cavidad no coinciden, es como sintonizar una radio en el canal equivocado.

Lamentablemente, el canal que buscamos no se puede predecir de antemano. No tenemos más remedio que escanear todas las frecuencias potenciales. Es como elegir una estación de radio en un mar de ruido blanco (una aguja en un pajar) con una radio vieja que necesita ser más grande o más pequeña cada vez que giramos la perilla de frecuencia.

Sin embargo, esos no son los únicos desafíos. La cosmología apunta a decenas de gigahercios como la última y prometedora frontera para la búsqueda de axiones. Como las frecuencias más altas requieren cavidades más pequeñas, explorar esa región requeriría cavidades demasiado pequeñas para capturar una cantidad significativa de señal.

Nuevos experimentos intentan encontrar caminos alternativos. Nuestro experimento Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha) utiliza un nuevo concepto de cavidad basado en metamateriales.

Los metamateriales son materiales compuestos con propiedades globales que difieren de las de sus constituyentes:son más que la suma de sus partes. Una cavidad llena de varillas conductoras adquiere una frecuencia característica como si fuera un millón de veces más pequeña, sin apenas cambiar su volumen. Eso es exactamente lo que necesitamos. Además, las varillas proporcionan un sistema de afinación integrado y fácil de ajustar.

Actualmente estamos construyendo la configuración, que estará lista para tomar datos en unos años. La tecnología es prometedora. Su desarrollo es el resultado de la colaboración entre físicos del estado sólido, ingenieros eléctricos, físicos de partículas e incluso matemáticos.

A pesar de ser tan esquivos, los axiones están impulsando un progreso que ningún fantasma podrá arrebatar jamás.