Axión para niños

El axión es una partícula subatómica que los científicos creen que podría existir, aunque todavía no ha sido descubierta. Fue propuesta en 1977 por la teoría de Peccei-Quinn. Su objetivo principal es ayudar a resolver un misterio en la física llamado el "problema CP fuerte". Este problema tiene que ver con cómo se comportan las partículas más pequeñas y por qué ciertas interacciones en el universo no rompen una simetría importante llamada CP.

Los científicos piensan que el axión tendría una masa muy, muy pequeña y no tendría carga eléctrica. El nombre "axión" fue elegido por el físico Frank Wilczek, quien lo tomó de una marca de detergente. Él esperaba que esta partícula "limpiara" el problema de la cromodinámica cuántica (QCD) con la simetría CP, de ahí el nombre.

Los axiones y otras partículas similares (llamadas ALPs, por sus siglas en inglés) son ideas que aparecen en muchas teorías de la física de partículas, como la teoría de cuerdas. Además, en el estudio del universo (cosmología), el axión es un buen candidato para explicar la materia oscura, una sustancia misteriosa que no podemos ver pero que forma gran parte del universo. También se piensa que, en ciertas condiciones, los fotones (partículas de luz) podrían transformarse temporalmente en axiones, lo que explicaría por qué la luz de alta energía puede viajar grandes distancias sin ser absorbida.

Estudios recientes sugieren que, si los axiones existen, serían extremadamente ligeros. Aunque esto podría reducir sus posibilidades de ser la única parte de la materia oscura, algunos estudios indican que sí podrían ser una parte importante de ella.

¿Qué es el axión y por qué es importante?

El misterio de la simetría CP fuerte

La cromodinámica cuántica (QCD) es la teoría que describe cómo interactúan las partículas más pequeñas dentro de los átomos, como los quarks y los gluones. A diferencia de otras teorías, la QCD no debería romper fácilmente una simetría llamada CP. Sin embargo, los científicos descubrieron que hay formas en que esta simetría podría romperse en la QCD.

Los experimentos no han encontrado ninguna señal de que la simetría CP se rompa en estas interacciones. Si se rompiera, los neutrones (partículas que forman el núcleo de los átomos) tendrían una propiedad llamada momento dipolar eléctrico, que no se ha observado. Esto significa que la ruptura de la simetría CP en la QCD debe ser extremadamente pequeña, casi nula. La pregunta de por qué es tan pequeña se conoce como el "problema CP fuerte".

La solución de Peccei-Quinn

En 1977, los físicos Roberto Peccei y Helen Quinn propusieron una solución elegante para el problema CP fuerte. Su idea fue introducir un nuevo tipo de campo en el universo, y la partícula asociada a este campo sería el axión. Para que esto funcionara, necesitaron una nueva simetría que se rompería de forma espontánea, dando origen al axión. Esta idea fue desarrollada de forma independiente por Frank Wilczek y Steven Weinberg.

La solución de Peccei-Quinn es muy interesante por dos razones:

• Se puede comprobar con experimentos, a diferencia de otras ideas.
• El axión es un candidato ideal para la materia oscura fría, que es un tipo de materia oscura que se mueve lentamente.

Debido a su popularidad, el término "axión" a veces se usa para otras partículas hipotéticas con características similares, aunque no resuelvan el problema CP fuerte. Por eso, a menudo se distingue entre el axión QCD (el original) y las partículas tipo axión o ALPs.

El axión como posible materia oscura

Si el axión existe, podría interactuar con los gluones. Esta interacción está relacionada con la masa del axión y una propiedad llamada constante de desintegración. Los cálculos sugieren que si el axión tuviera una masa muy, muy pequeña, sería un excelente candidato para la materia oscura fría. Esto significa que se movería muy lento y solo interactuaría a través de la gravedad.

Sin embargo, las observaciones de estrellas, modelos del universo y experimentos en laboratorios sugieren que la cantidad de axiones no sería suficiente para explicar toda la materia oscura. Podrían ser solo una parte de ella.

¿Cómo buscan los científicos el axión?

Aunque los axiones no han sido encontrados, los científicos han estudiado sus posibles efectos durante más de 40 años. Esto les ha permitido desarrollar formas de detectarlos. Actualmente, hay varios experimentos en marcha para buscar axiones. La mayoría de ellos aprovechan la idea de que los axiones podrían interactuar débilmente con los fotones en campos magnéticos fuertes. Los axiones también son uno de los pocos candidatos posibles para las partículas de materia oscura, y podrían ser descubiertos en experimentos diseñados para encontrarla.

Transformación en un campo magnético

Algunos experimentos buscan axiones que provienen del espacio (astrofísicos) usando un efecto llamado Primakoff. Este efecto permite que los axiones se conviertan en fotones (luz) y viceversa cuando están en campos electromagnéticos.

El Experimento de Materia Oscura de Axiones (ADMX) en la Universidad de Washington ha estado usando un campo magnético fuerte desde 1995 para intentar detectar la débil conversión de axiones en microondas. Otros experimentos similares incluyen DMRadio, HAYSTAC, CULTASK y ORGAN.

Luz polarizada en un campo magnético

El experimento italiano PVLAS busca pequeños cambios en cómo se comporta la luz (su polarización) cuando viaja a través de un campo magnético.

Luz que atraviesa paredes

Otra técnica curiosa se llama "luz que brilla a través de las paredes". En esta, la luz pasa por un campo magnético intenso para convertirse en axiones. Como los axiones no interactúan mucho, podrían atravesar una barrera de metal. Al otro lado, otro campo magnético los convertiría de nuevo en fotones, haciendo que la luz "aparezca" al otro lado de la pared. Experimentos como BFRS y GammeV no han observado estos eventos. El experimento ALPS I estableció límites en 2010, y la nueva generación, ALPS II, podría encontrar nuevas pistas en el futuro.

Búsquedas de axiones en el universo

Los axiones podrían dejar una "huella" en el espacio. Algunos estudios han propuesto que los axiones podrían explicar por qué el universo parece ser transparente a los fotones de muy alta energía.

También se ha demostrado que en los grandes campos magnéticos de objetos cósmicos como los magnetares (estrellas de neutrones con campos magnéticos muy fuertes), los fotones podrían convertirse en axiones de manera más eficiente. Esto podría crear patrones especiales en la luz que los telescopios del siglo XXI podrían detectar.

Los axiones también podrían producirse en el centro del Sol cuando los rayos X chocan con campos eléctricos fuertes. El telescopio solar CAST estuvo activo de 2003 a 2022 y ayudó a establecer límites sobre cómo los axiones interactúan con los fotones y los electrones. Su sucesor, el Observatorio Axión Internacional (IAXO), planea construir un imán gigante de 25 metros de largo para buscar axiones solares.

Además, los axiones podrían formarse dentro de las estrellas de neutrones. La posterior desintegración de estos axiones en rayos gamma permitiría a los científicos establecer límites sobre la masa de los axiones observando estas estrellas con telescopios de rayos gamma.

Posibles detecciones que no se confirmaron

En 2014, se sugirió que se había encontrado evidencia de axiones como una variación estacional en la emisión de rayos X que se esperaría de la conversión de axiones solares en el campo magnético de la Tierra. Un grupo de investigación de la Universidad de Leicester notó una variación en 15 años de datos del observatorio XMM-Newton que no tenía una explicación común. Una posible explicación era que los rayos X eran producidos por axiones del Sol.

Sin embargo, otros investigadores italianos cuestionaron esta interpretación, señalando que la probabilidad de detección sería muy baja, haciendo que la explicación con axiones no fuera viable.

En 2013, Christian Beck sugirió que los axiones podrían detectarse en ciertas uniones eléctricas. En 2014, argumentó que se había observado una señal consistente con axiones en varios experimentos ya existentes.

En 2020, el experimento XENON1T en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso en Italia informó un resultado que parecía indicar el descubrimiento de axiones solares. Sin embargo, los resultados no fueron lo suficientemente significativos para una confirmación definitiva, y otras explicaciones eran posibles. Nuevas observaciones realizadas en 2022, con el observatorio actualizado a XENONnT, descartaron este exceso, poniendo fin a la posibilidad de un nuevo descubrimiento de partículas en ese momento.

Véase también

En inglés: Axion Facts for Kids

• Bosón de Nambu-Goldstone
• Lista de partículas #Partículas hipotéticas
• Problema CP fuerte
• WIMP