El Axión, pequeño gran candidato a materia oscura.

¿Puede una diminuta partícula ser la principal componente de la materia oscura? ¿Puede un descubrimiento teórico que servía para rellenar un hueco en la teoría estándar y que predecía esta nueva partícula resultar un ente real que gobierna el movimiento y formación de las galaxias? No lo sabemos pero es una de las candidatas a la materia escurridiza.

Todo comenzó con un problema en el interior de los neutrones las partículas con carga neutra que acompañan a los protones positivos en los núcleos atómicos. Cuando se pudo estudiar en los 60, 70 su estructura interior surgieron problemas en la fuerza, en la fuerza fuerte que luego afectaría a las galaxias.

Axion, partícula candidata a materia oscura. Dark Matter cleannig or clearing detergent. Axion cleans up CP-Symmetry matters.

La fuerza nuclear fuerte es la fuerza que mantiene los quarks juntos para formar los neutrones y protones. Los protones por ejemplo están compuestos de dos quarks ‘UP’ y uno ‘down’, El quark  Up tiene carga +2/3 y el Down -1/3 por lo que en total (2x (+2/3) + (-1/3)=1) tiene carga uno positiva. El Neutrón por contra está compuesto de un quark ‘Up’ y dos ‘Down’ por lo que su carga total es cero. Y de aquí es de donde viene uno de los problemas del modelo estándar.

El neutrón está formado por dos quarks Down y uno Up. The quark content of the neutron.
El neutrón está formado por dos quarks Down y uno Up. The quark content of the neutron.

Las interacciones fuertes se arreglan de tal manera que en la estructura del neutrón las cargas que se anulan se distribuyen de manera uniforme o perfectamente simétricas. Cunado se mide el campo eléctrico del neutrón, éste resulta ser casi cero o cero (menor a un billonésima según las últimas mediciones). Por eso se dice que el neutrón exhibe simetría CP (carga-paridad), invirtiendo el signo de las cargas en los quarks o las posiciones como si fuera un espejo no podríamos distinguir la partícula resultante. Esta característica de la fuerza fuerte, que no se sabe a que se debe, se conoce como problema CP fuerte o ‘strong CP problem’.               

Para solucionar esta peculiaridad del neutrón, Helen Quinn y Roberto Peccei propusieron una posible solución. Un campo nuevo que permea todo el espacio y anula las asimetrías en el interior del neutrón. En este campo habría un pozo de potencial que haría que el campo eléctrico resultante en el neutrón fuera cero. Un poco después,  Frank Wilczek y Steven Weinberg vieron que si se modificaba el modelo estándar para acomodar este nuevo campo, esto implicaría la existencia de una nueva partícula que Wilczek denominó axion, como un famoso detergente, que él usaba en sus tiempos mozos para hacer la colada. Las propiedades inferidas del axion serían tales que tendría una masa muy pequeña pero no cero y no interaccionaría salvo en campos magnéticos muy fuertes mediante la fuerza electromágnética por lo que no sería visible. Un candidato, por tanto, a materia oscura que solo interacciona por medio de la gravedad.  

El axion tendría muy poca masa y se habría producido en enormes cantidades en el big bang, Además, estaría por todas partes influyendo por su cantidad en el comportamiento de la materia.

Hay varios experimentos intentando encontrar esta partícula teórica, el axión. El más focalizado en esto es Axion Dark Matter Experiment de la universidad de Washington, que intenta acotar la posible masa del axión. Este experimento aprovecha la teórica posible interacción de esta supuesta partícula en campos magnéticos muy fuertes para producir fotones con frecuencias de microondas que podríamos detectar. El problema es aislar esta señal del ruido térmico y electrónico, para lo que se enfría el detector cerca del cero absoluto y se ha refinado mucho la electrónica.     

Hay otro experimentos que podrían detectar axiones, en el CERN el solar axion telescope o CAST y el detector XENON1T del Gran Saxxo en Italia. Estos dos últimos detectarían axiones de alta energía producidos en el sol y no los axiones fríos o menos energéticos candidatos a materia oscura primordial.

Solo el tiempo dirá de que está compuesta la materia oscura y como hacerla visible. Mientras Helen Queen es una firme defensora de la educación activa de las ciencia a la población en general pero no por medio de clases magistrales y videos de youtube, sino de aquella efectiva y probada que involucre a los sectores más desfavorecidos de la sociedad.

REFERENCIAS

CP Conservation in the Presence of Pseudoparticles. R. D. Peccei and Helen R. Quinn. Phys. Rev. Lett. 38, 1440 – Published 20 June 1977

Axion physics in condensed-matter systems.

Direct limits on the interaction of antiprotons with axion-like dark matter.
C. Smorra, Y. V. Stadnik, P. E. Blessing, M. Bohman, M. J. Borchert, J. A. Devlin, S. Erlewein, J. A. Harrington, T. Higuchi, A. Mooser, G. Schneider, M. Wiesinger, E. Wursten, K. Blaum, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, D. Budker & S. Ulmer
Nature volume 575, pages310–314(2019)Cite this article

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