Los científicos de la Universidad de Sussex han refutado la existencia de un tipo específico de axión, una importante partícula candidata de 'materia oscura', en una amplia gama de sus posibles masas.

Los datos fueron recopilados por un consorcio internacional, la colaboración del momento dipolo eléctrico de neutrones (nEDM), cuyo experimento se basa en el Paul Scherrer Institut en Suiza. Los datos se tomaron allí y, más temprano, en el Institut Laue-Langevin de Grenoble.

Profesor Philip Harris, Jefe de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Sussex, y jefe del grupo nEDM allí, dijo:

"Los expertos coinciden en gran medida en que una gran parte de la masa del universo consiste en 'materia oscura'. Su naturaleza, sin embargo, permanece completamente oscuro. Un tipo de partícula elemental hipotética que podría formar la materia oscura es el llamado axión. Si existen axiones con las propiedades adecuadas, sería posible detectar su presencia a través de este análisis completamente novedoso de nuestros datos.

"Hemos analizado las medidas que tomamos en Francia y Suiza y proporcionan evidencia de que los axiones, al menos del tipo que se habría observado en el experimento, no existen. Estos resultados son mil veces más sensibles que los anteriores y se basan en mediciones de laboratorio más que en observaciones astronómicas. Esto no descarta fundamentalmente la existencia de axiones, pero el alcance de las características que podrían tener estas partículas es ahora claramente limitado.

"Los resultados esencialmente envían a los físicos de vuelta a la mesa de dibujo en nuestra búsqueda de materia oscura".

Durante décadas se ha creído que las partículas de axiones podrían constituir al menos parte de la "materia oscura", la materia que sabemos que está en nuestro universo pero que no se puede ver. Los axiones son importantes porque encontrarlos, si existen, podría contener la clave de por qué el universo tiene mucha materia pero relativamente poca antimateria. Se habrían creado cantidades iguales de materia y antimateria cuando comenzó el universo, y todo debería haberse aniquilado mutuamente, pero el Universo claramente ahora tiene mucha materia - pero esencialmente nada de antimateria - sobrante; no entendemos por qué.

Este es el primer experimento que utiliza equipo de laboratorio, en lugar de observaciones astronómicas, para investigar este tipo de axión. Previamente, Los físicos habían ido reduciendo gradualmente el rango de posibles masas del axión a través de experimentos basados ​​en telescopios. La investigación publicada hoy borra toda una franja de masas potenciales. Como resultado, Los teóricos de partículas que intenten explicar los orígenes del Universo y la naturaleza de la materia oscura tendrán que volver al tablero de dibujo mientras revisan, restringir y ajustar sus modelos. Se ha establecido un punto de referencia importante para futuras búsquedas experimentales; y otros experimentos, trabajando en temas relacionados, podrá analizar sus datos de esta nueva forma para ampliar aún más la sensibilidad.

Los datos se recopilaron con otro propósito, para ver por qué el universo está dominado por la materia y no por la antimateria, cuando se descubrió que las mediciones también podrían usarse para buscar la presencia de axiones. El experimento funcionó atrapando neutrones, luego aplicando un alto voltaje a su contenedor para ver si afectó la velocidad a la que giran. Un cambio en esta tasa indicaría que tienen una estructura distorsionada, y los cambios en esa distorsión a lo largo del tiempo (de minutos a años) indicarían que hubo axiones presentes. No se vieron tales distorsiones, y por lo tanto no se detectaron axiones. El experimento nEDM en sí es un "clásico" en física de partículas, habiendo corrido de una forma u otra con una sensibilidad cada vez mayor desde 1950, y descartando muchas teorías en el camino. Es una de las medidas más sensibles que se pueden realizar, y las mediciones realizadas por Sussex han proporcionado continuamente la mejor sensibilidad del mundo desde 1999.

Nicolás Ayres, estudiante de posgrado en la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de Sussex y co-líder de este análisis en particular, dijo:

"Estos resultados abren un nuevo frente en la búsqueda de materia oscura. Desmienten la existencia de axiones con una amplia gama de masas y, por lo tanto, ayudan a limitar la variedad de partículas que podrían ser candidatas a la materia oscura. Y es fantástico ver que estos los resultados, que se estaban recopilando para otro propósito por completo, también podrían usarse como un complemento para buscar axiones ".

El profesor Philip Harris explica cómo los datos podrían usarse para buscar axiones, así como para su propósito original:

"En nuestro experimento original tomamos una sola medida y la repetimos muchas veces para determinar el valor promedio durante un tiempo prolongado. Cuando buscamos axiones, observamos si la medición fluctúa con el tiempo con una frecuencia constante. Si es así, sería una prueba de que había habido alguna interacción entre el neutrón y el axión. Nunca vimos eso. "

El experimento no descarta por completo la existencia de axiones. Primeramente, los axiones tendrían que haber interactuado con la fuerza suficiente con los neutrones para detectar cualquier cambio en su velocidad de rotación. En segundo lugar, su masa puede ser mayor o menor de lo esperado. Lo hace, sin embargo, proporcionar nuevas limitaciones importantes, y señala el camino a seguir hacia futuras avenidas de investigación para ayudar a resolver uno de los grandes misterios sobresalientes de la cosmología. Estos experimentos hacen una contribución importante a la búsqueda de materia oscura.

El papel, "Búsqueda de materia oscura similar a un axión a través de la precesión de espín nuclear en campos eléctricos y magnéticos, "se publica en Revisión física X .