Una partícula hipotética que podría resolver uno de los mayores acertijos de la cosmología se ha vuelto un poco menos misteriosa. Un físico de RIKEN y dos colegas han revelado los fundamentos matemáticos que podrían explicar cómo los llamados axiones podrían generar entidades similares a cuerdas que crean un voltaje extraño en los materiales de laboratorio.

Los axiones fueron propuestos por primera vez en la década de 1970 por físicos que estudiaban la teoría de la cromodinámica cuántica, que describe cómo algunas partículas elementales se mantienen juntas dentro del núcleo atómico. El problema fue que esta teoría predijo algunas propiedades extrañas para las partículas conocidas que no se observan. Para arreglar esto, Los físicos postularon una nueva partícula, más tarde denominada axión, después de una marca de detergente para ropa, porque ayudó a limpiar un lío en la teoría.

Los físicos pronto se dieron cuenta de que los axiones también podían aclarar un enigma cósmico. Se cree que más del 80% de la materia del Universo está formada por una misteriosa sustancia invisible, denominada materia oscura. "Los axiones son candidatos a la materia oscura, pero aún no los hemos encontrado, "dice Yoshimasa Hidaka, del Programa Interdisciplinario de Ciencias Matemáticas y Teóricas RIKEN. Los axiones pueden tener las propiedades adecuadas, de modo que los físicos han estado buscando signos de su existencia en numerosos experimentos. En junio de 2020, el experimento XENON1T en el Laboratorio Gran Sasso en Italia informó indicios de que pueden haber detectado el axión, pero ese resultado aún no se ha confirmado.

Pero hay otro campo en el que se pueden estudiar las propiedades de los axiones. Los físicos pueden preparar materiales exóticos, llamados aislantes topológicos, en el laboratorio, que muestran propiedades extrañas, tales como la conducción de electricidad en sus superficies mientras permanecen aislantes eléctricos en su interior. Estos materiales muestran otro comportamiento extraño. Algunas veces, sus electrones se agrupan y se mueven de tal manera que el material parece estar hecho de "cuasipartículas" con propiedades inusuales. Esto puede crear un voltaje inesperado en el material, llamado efecto Hall anómalo.

También se predice que el axión surgirá de esta manera, en aisladores topológicos, donde debería interactuar con partículas de luz, o fotones, de forma diferente a las partículas regulares.

Hidaka y sus dos colegas han examinado ahora la teoría que rige la interacción entre axiones y fotones. Aunque los axiones son partículas puntuales, el equipo calculó que dentro de los materiales, la luz en realidad interactúa con configuraciones extendidas en forma de hilo hechas de axiones, llamadas cuerdas axiónicas. Eso conduciría al efecto Hall anómalo, que se observa en experimentos.

"Hemos encontrado la estructura matemática subyacente del fenómeno, "dice Hidaka.