Si existen, axiones, entre los candidatos a partículas de materia oscura, podría interactuar con la materia que comprende el universo, pero en un grado mucho más débil de lo que se había teorizado previamente. Nuevo, Un equipo internacional de científicos ha propuesto restricciones rigurosas sobre las propiedades de los axiones.

El último análisis de mediciones de las propiedades eléctricas de los neutrones ultrafríos, publicado en la revista científica Revisión física X , ha llevado a conclusiones sorprendentes. Sobre la base de los datos recopilados en el experimento del momento del dipolo eléctrico del neutrón (nEDM), un grupo internacional de físicos demostró que los axiones, partículas hipotéticas que pueden comprender materia oscura fría, tendría que cumplir con limitaciones mucho más estrictas de lo que se creía anteriormente con respecto a su masa y formas de interactuar con la materia ordinaria. Los resultados son los primeros datos de laboratorio que imponen límites a las posibles interacciones de los axiones con nucleones (es decir, protones o neutrones) y gluones (las partículas que unen quarks en nucleones).

"Nuestro grupo internacional ha realizado mediciones del momento dipolar eléctrico de los neutrones durante una buena docena de años. Durante la mayor parte de este tiempo, Ninguno de nosotros sospechaba que los datos recopilados pudieran ocultar rastros asociados con posibles partículas de materia oscura. Solo recientemente, Los teóricos han sugerido tal posibilidad y aprovechamos con entusiasmo la oportunidad para verificar las hipótesis sobre las propiedades de los axiones, "dice el Dr. Adam Kozela (IFJ PAN), uno de los participantes en el experimento.

La materia oscura se propuso por primera vez para explicar los movimientos de las estrellas dentro de las galaxias y las galaxias dentro de los cúmulos galácticos. El pionero de la investigación estadística sobre los movimientos estelares fue el astrónomo polaco Marian Kowalski. En 1859, advirtió que los movimientos de las estrellas cercanas no podían explicarse únicamente por el movimiento del sol. Esta fue la primera evidencia observacional que sugiere la rotación de la Vía Láctea. Kowalski es, pues, el hombre que "sacudió los cimientos" de la galaxia. En 1933, el astrónomo suizo Fritz Zwicky dio un paso más. Analizó los movimientos de las estructuras en el cúmulo de galaxias de Coma utilizando varios métodos. Luego notó que se movían como si hubiera una cantidad de materia mucho mayor en su entorno que la observada por los astrónomos.

Los astrónomos creen que debería haber casi 5,5 veces más materia oscura en el universo que materia ordinaria, como sugieren las mediciones de radiación de microondas de fondo. Pero aún se desconoce la naturaleza de la materia oscura. Los teóricos han construido muchos modelos prediciendo la existencia de partículas que son más o menos exóticas, lo que puede explicar la materia oscura. Entre los candidatos hay axiones. Estas partículas extremadamente ligeras interactuarían con la materia ordinaria casi exclusivamente a través de la gravedad. Los modelos actuales predicen que en determinadas situaciones, un fotón podría transformarse en un axión, y después de un tiempo transformar de nuevo en un fotón. Este hipotético fenómeno es la base de los famosos experimentos de "iluminación a través de una pared". Éstos implican dirigir un rayo intenso de luz láser sobre un obstáculo grueso, y observando esos fotones que se transforman en axiones que penetran en la pared. Después de pasar, algunos de los axiones podrían volver a convertirse en fotones, con características exactamente iguales a las originalmente dirigidas a la barrera.

Los experimentos relacionados con la medición del momento dipolar eléctrico de los neutrones no tienen nada que ver con los fotones. En experimentos realizados durante más de 10 años, Los científicos midieron los cambios en la frecuencia de resonancia magnética nuclear (RMN) de neutrones y átomos de mercurio en una cámara de vacío en presencia de electricidad, campos magnéticos y gravitacionales. Estas mediciones permitieron a los investigadores sacar conclusiones sobre la precesión de neutrones y átomos de mercurio, y consecuentemente en sus momentos dipolares.

En los últimos años han aparecido trabajos teóricos que prevén la posibilidad de que los axiones interactúen con gluones y nucleones. Dependiendo de la masa de los axiones, estas interacciones podrían resultar en perturbaciones más pequeñas o más grandes con el carácter de oscilaciones de los momentos eléctricos dipolares de los nucleones, o incluso átomos enteros. Las predicciones significaron que los experimentos llevados a cabo como parte de la cooperación nEDM podrían contener información valiosa sobre la existencia y propiedades de posibles partículas de materia oscura.

"En los datos de los experimentos en PSI, nuestros colegas que realizaron el análisis buscaron cambios de frecuencia con períodos del orden de minutos, y en los resultados de ILL, en el orden de días. Este último aparecería si hubiera un viento axion, es decir, si los axiones en el espacio cercano a la Tierra se estuvieran moviendo en una dirección específica. Dado que la Tierra está girando, en diferentes momentos del día, nuestro equipo de medición cambiaba su orientación en relación con el viento axion, y esto debería resultar en cíclico, cambios diarios en las oscilaciones registradas por nosotros, "explica el Dr. Kozela.

Los resultados de la búsqueda resultaron ser negativos. No hay rastro de la existencia de axiones con masas entre 10 ^-24 y 10 ^-17 Se encontraron electronvoltios (a modo de comparación:la masa de un electrón es más de medio millón de electronvoltios). Además, los científicos lograron endurecer las restricciones impuestas por la teoría sobre la interacción de axiones con nucleones en 40 veces. En el caso de posibles interacciones con gluones, las restricciones se han multiplicado por más de 1000. Entonces, si los axiones existen, en los modelos teóricos actuales, tienen menos lugares para esconderse.