En busca del axión, una partícula fantasmal y posible identidad de la materia oscura

El que probablemente sea el detector de axiones más sensible del mundo, está instalado en el Centro de Física Nuclear Experimental y Astrofísica de la Universidad de Washington en Seattle, Estados Unidos. Aunque ya funciona, todavía se halla en fase de pruebas, si bien comenzará pronto a intentar captar lo desconocido, manifestado en este caso como la interacción muy débil entre el hipotético axión y la radiación electromagnética.

El objetivo del Experimento Axión Materia Oscura, organizado y conducido por el equipo del físico Leslie Rosenberg, es la búsqueda de axiones de materia oscura fría en el halo de la Vía Láctea, intentando detectar para ello la muy débil conversión de axiones en fotones de microondas.

El detector emplea un potente electroimán superconductor instalado alrededor de un receptor de microondas de alta sensibilidad que es mantenido a 269 grados centígrados bajo cero. Esa temperatura tan fría reduce el "ruido" térmico e incrementa enormemente las probabilidades de que el detector capte axiones convirtiéndose en fotones de microondas.

El receptor de microondas puede ser ajustado a la masa del axión, lo cual también aumenta las probabilidades de detectar una interacción entre los axiones y el campo magnético del detector. Una reacción depositaría en el receptor una cantidad de energía electromagnética minúscula pero detectable y delatadora, que sería registrada por los ordenadores que monitorizan al detector.

En la comunidad científica se planteó por vez primera la existencia del axión a finales de la década de 1970. Se supone que esta partícula reacciona gravitacionalmente con la materia, aunque no parece tener otras interacciones.



Leslie Rosenberg, a la derecha, y Gray Rybka, examinan parte de la maquinaria para el detector de axiones. (Foto: Mary Levin / Universidad de Washington)


Los axiones, si es que existen, deben tener una masa muy baja. Si asumimos que la masa está directamente relacionada con la energía, se requiere muy poca energía para producir axiones.

En la física cuántica, cada partícula es descrita como una onda. La longitud de onda corresponde a la energía de la partícula. Partículas pesadas tienen longitudes de onda pequeñas, pero los axiones, de baja energía, podrían tener longitudes de onda de muchos kilómetros.

Se ha especulado asimismo con que los axiones pueden acumularse alrededor de un agujero negro y extraer energía de la acción de éste.

La materia oscura es una clase exótica de materia que pasa del todo desapercibida excepto por su supuesta influencia gravitacional. Los científicos llegaron a la conclusión años atrás de que hay materia extra y oculta, distribuida de un modo que tampoco se corresponde con la simple presencia de agujeros negros convencionales, y que es la responsable de que las galaxias no se fragmenten en tiras cuando giran sobre sí mismas. Las galaxias generan una importante fuerza centrípeta durante su rotación. La gravedad es el pegamento que contrarresta esa fuerza y mantiene a las estrellas y a los planetas juntos dentro de sus galaxias, pero no hay suficiente materia visible en el universo para generar la cantidad de gravedad necesaria para evitar que las galaxias se disgreguen en jirones.

Además de extraña e "invisible", la materia oscura es abundante. Se calcula que la gran mayoría de la materia en el universo (más de las tres cuartas partes) se compone de ese material "oscuro" que no parece emitir radiación electromagnética.


De la naturaleza de la materia oscura no se sabe casi nada.

Las conjeturas sobre la misma se pueden agrupar en dos teorías principales. Una de ellas, en los últimos tiempos la favorita, es la de la materia oscura fría, y fue propuesta a mediados de la década de 1980. Esta teoría sostiene, entre otras cosas, que inmediatamente después del Big Bang, las partículas de materia oscura adoptaron velocidades bajas.

La teoría de la materia oscura caliente es parecida, aunque defiende que tras el Big Bang las partículas de materia oscura mantuvieron velocidades relativamente altas.

Con uno u otro tipo de materia oscura en escena, la evolución inicial del universo pudo ser muy diferente. Por ejemplo, según unas simulaciones informáticas sobre la formación de las primeras estrellas del universo, que fueron realizadas en 2007 por un equipo del Instituto de Cosmología Computacional de la Universidad de Durham, para las partículas de materia oscura fría, de movimiento lento, las primeras estrellas se formaron aisladas unas de otras, con sólo una única estrella de gran masa por cada concentración esférica de materia oscura. En cambio, para la materia oscura caliente, de rápido movimiento, una gran cantidad de estrellas de tamaños diferentes se formaron en la misma época, en un gran episodio de formación de estrellas.

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