Cazadores de axiones: el rayo láser más potente del mundo podría revelar el misterio de la materia oscura
Científicos de Oxford han utilizado el láser de rayos X más potente del mundo para cazar axiones, partículas teóricas que podrían resolver el enigma de la materia oscura y avanzar en una nueva física más allá del modelo estándar.
Por Enrique Coperías
Sala experimental del el European XFEL que muestra la cámara de interacción con el objetivo a la izquierda, el tubo de vacío de recolección y el detector en el lado derecho. Crédito: Gianluca Gregori.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Oxford, en colaboración con el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas del Reino Unido (STFC) y otros laboratorios internacionales, ha anunciado los resultados de una innovadora búsqueda en la Instalación Europea de Láser de Electrones Libres de Rayos X (European XFEL), en Hamburgo.
El estudio, publicado en Physical Review Letters, explora la existencia de una partícula hipotética que podría conformar la materia oscura del universo, una forma de materia invisible que constituye aproximadamente el 85% del cosmos. No emite, absorbe ni refleja luz, pero su existencia se infiere por sus efectos gravitacionales en galaxias y cúmulos de galaxias. Su naturaleza sigue siendo un misterio.
El experimento se centra en la detección de los axiones, unas partículas teóricas propuestas para resolver un enigma fundamental de la física de partículas: la ausencia de un momento dipolar eléctrico —una medida de la separación de cargas positivas y negativas en un sistema, que indicando una posible asimetría en la distribución de carga eléctrica— en los neutrones, a pesar de estar compuestos por quarks cargados, esto es, partículas subatómicas con carga eléctrica.
Una nueva física más allá del modelo estándar
La hipótesis sugiere que los axiones, partículas diminutas y extremadamente ligeras, podrían neutralizar este desequilibrio. Si se lograra detectar este fenómeno, sería una prueba crucial de una nueva física más allá del modelo estándar, que describe las partículas fundamentales y sus interacciones mediante tres fuerzas: la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil.
El modelo estándar explica la mayoría de los fenómenos del universo conocido, pero no incluye la gravedad ni la materia oscura.
Además de su relevancia en la física de partículas, los axiones son candidatos naturales para explicar la materia oscura, la enigmática sustancia que compone la mayor parte de la masa del universo. Para su detección, los investigadores emplearon el láser de rayos X más potente del mundo, el European XFEL, ubicado en Schenefeld, cerca de Hamburgo (Alemania).
Impresión artística de un axión, un candidato a materia oscura. Imagen generada con DALL-E
Fotones convertidos en axiones
Esta avanzada instalación cuenta con un túnel de 3,4 kilómetros de longitud que alberga un acelerador lineal superconductor —un dispositivo que usa imanes superconductores para acelerar partículas cargadas en línea recta a altas energías con gran eficiencia y mínima resistencia eléctrica— y líneas de haz de fotones, capaces de generar hasta 27.000 destellos de rayos X por segundo.
El experimento se centró en el estudio del efecto Primakoff, por el cual los fotones pueden convertirse en axiones en presencia de un fuerte campo eléctrico y, posteriormente, reconvertirse en fotones al atravesar una barrera opaca. Este método, conocido como resplandor de luz a través de las paredes, ya había sido empleado en experimentos anteriores, pero el uso del European XFEL ha permitido alcanzar una sensibilidad sin precedente. Así es, ha mejorado la detectabilidad de los axiones en el rango de masas de 10^-3 eV a 10^4 eV.
Durante el experimento, los rayos X fueron dirigidos a través de placas de cristal de germanio meticulosamente alineadas, que poseen un campo eléctrico interno de gran intensidad. Para las partículas en movimiento, este campo eléctrico se percibe como un campo magnético extremadamente fuerte (~10^3 teslas), lo que permite la conversión de fotones en axiones y viceversa.
Dependencia de los modelos teóricos
Además, los investigadores utilizaron una lámina opaca de titanio como barrera, lo que garantizaba que solo los axiones pudieran atravesarla y convertirse nuevamente en fotones en el otro extremo.
Los resultados obtenidos en este estudio representan un importante avance en la búsqueda de axiones, y proporcionan nuevos límites de exclusión para estas partículas en el rango de masas investigado. En comparación con experimentos anteriores realizados en sincrotrones de tercera generación, esta nueva investigación ha logrado mejorar significativamente la sensibilidad gracias al mayor brillo de los rayos X generados por el European XFEL.
Esta capacidad mejorada permite a los científicos explorar regiones del espacio de parámetros de los axiones que antes eran inaccesibles.
Uno de los principales desafíos en la detección de axiones radica en la dependencia de los modelos teóricos. Mientras que experimentos como el Telescopio Solar de Axiones del CERN (CAST), en Suiza, han establecido restricciones en lo que respecta a los axiones de baja masa, estas están influenciadas por suposiciones en la producción de axiones en el Sol.
En contraste, los experimentos de laboratorio como este permiten un control más preciso del proceso de producción y detección de axiones, y reducen la dependencia de modelos astrofísicos y proporciona resultados más directos.
“Este experimento subraya la versatilidad de la tecnología XFEL para abordar algunas de las preguntas más desafiantes de la física fundamental y ampliar los límites de nuestra comprensión del universo.”
Por su parte, el profesor Gianluca Gregori, investigador principal, señala en un comunicado de la Universidad de Oxford lo siguiente: «Este estudio es el resultado de una extensa colaboración en el Departamento de Física de Oxford entre mi grupo (Física Atómica y Láser), el profesor Subir Sarkar (Física Teórica) y el difunto profesor Ian Shipsey (Física de Partículas). La interpretación de esta medición no estándar representa un reto significativo, pero gracias a la combinación de conocimientos de un equipo multidisciplinario, logramos abordarlo con éxito».
Mirando hacia el futuro, los investigadores planean mejorar aún más la sensibilidad del experimento aumentando la intensidad del láser y optimizando la geometría del detector. Su objetivo es avanzar en la exploración de los axiones dentro del rango de masas predicho por la teoría de la cromodinámica cuántica. Esta describe la interacción fuerte, la fuerza que mantiene unidos a los quarks dentro de protones y neutrones, mediante el intercambio de partículas llamadas gluones.
Los esfuerzos en esta direccion podrían proporcionar una evidencia definitiva de la existencia de estas partículas y, en última instancia, una respuesta a uno de los mayores misterios del cosmos: la naturaleza de la materia oscura. ▪️
Información facilitada por la Universidad de Oxford
Fuente: Jack W. D. Halliday et al. Bounds on Heavy Axions with an X-Ray Free Electron Laser. Physical Review Letters (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.055001
