¿Está la materia oscura hecha de axiones?

La semana pasada, cuando los científicos de un laboratorio italiano anunciaron que unos pitidos inesperados en su detector podrían ser de partículas subatómicas conocidas como axiones, que se buscaban desde hace tiempo, sus colegas se mostraron cautelosamente optimistas: en física, las supuestas detecciones de nuevas partículas a menudo se desvanecen hasta la insignificancia cuando los investigadores reúnen más datos. Además, hay otras explicaciones más prosaicas para los fallos. En cambio, los argumentos teóricos a favor de la existencia de los axiones son convincentes para muchos físicos. Y estas hipotéticas partículas son uno de los principales candidatos a la materia oscura, la misteriosa sustancia que constituye la mayor parte del universo material. Confirmar que los axiones son reales sería un gran avance para la física de partículas y un descubrimiento con implicaciones de gran alcance para nuestra comprensión de la composición y la historia del universo.

La historia de los axiones comienza en la década de 1970, cuando los físicos que desarrollaban el Modelo Estándar -el marco que describe las partículas conocidas y sus interacciones- notaron algo extraño en la fuerza nuclear fuerte, que une a los quarks para formar los protones y los neutrones dentro de los núcleos de los átomos. Esta fuerza regula de algún modo la estructura de los neutrones para que sean perfectamente simétricos. Dicho de otro modo, aunque el neutrón es neutro, los quarks que lo componen tienen carga y, por razones desconocidas, esta carga se reparte de forma increíblemente uniforme (al menos con una precisión de una parte entre mil millones, según las últimas mediciones). En el lenguaje de la física de partículas, se dice que el neutrón tiene simetría de carga-paridad (CP): si se invierten todas sus cargas de positivas a negativas, al mismo tiempo que se mira su comportamiento en un espejo, no tendría ningún efecto discernible. La cuestión de por qué la partícula tiene esta disposición se conoció como el «problema de la CP fuerte».

En 1977, Helen Quinn y el difunto Roberto Peccei, ambos entonces en la Universidad de Stanford, propusieron una solución: tal vez exista un campo hasta ahora desconocido que impregne todo el espacio y suprima las asimetrías del neutrón. Más tarde, los físicos teóricos Frank Wilczek y Steven Weinberg dedujeron que si el Modelo Estándar se ajustara para permitir dicho campo, implicaría la existencia de una nueva partícula, denominada axión. (Wilczek tomó la idea del nombre de una marca de detergente para la ropa). El axión no tendría «espín» mecánico cuántico, por lo que sería un bosón. Su masa, aunque no es nula, sería increíblemente pequeña.

A pesar de su minúsculo peso, los axiones existirían en un número tan grande que los físicos pronto se dieron cuenta de que podrían explicar gran parte de la masa «desaparecida» del universo: Las observaciones astronómicas que se remontan a la década de 1930 sugieren que la materia visible -galaxias, estrellas, planetas, etc.- representa menos de una sexta parte de la masa total de toda la materia del cosmos, y que la materia oscura constituye el resto. La naturaleza de esta materia oscura ha sido objeto de un intenso debate desde entonces.

«El axión es realmente un buen candidato a materia oscura», dice Peter Graham, de Stanford. Más allá de la expectativa de que el cosmos esté inundado de estas partículas, los axiones serían naturalmente «oscuros», lo que significa que apenas interactuarían con la materia ordinaria. «Al universo le gusta producir axiones», dice Graham, «y le gusta producirlos de manera que actúen como la materia oscura fría que sabemos que existe».

«Fría» es una advertencia importante: los axiones que los investigadores supuestamente detectaron con el experimento XENON1T en el Laboratorio Nacional Gran Sasso de Italia probablemente se habrían producido dentro de nuestro sol. Serían muy energéticos y, por tanto, es poco probable que sean un componente de la materia oscura. Los axiones de materia oscura tendrían que ser lentos, o fríos, para poder agruparse y guiar gravitatoriamente la evolución de las galaxias, como se cree que hace la materia oscura. Los teóricos sospechan que tales axiones podrían haberse producido en el universo primitivo. Además, dado que los procesos que se cree que crean los axiones fríos pueden estar relacionados con el primer brote de crecimiento del universo -un extraordinario aumento de tamaño conocido como inflación-, encontrar y seguir estudiando estas escurridizas partículas podría ayudar a los físicos a entender los primeros momentos tras el big bang. Aunque el descubrimiento de los axiones no probaría que la inflación ocurrió, dice Graham, proporcionaría una valiosa visión de la física de esa época. «Para mí, eso es lo emocionante de los axiones», añade.

Sin embargo, los científicos reaccionan con cautela -incluidos los del equipo de XENON1T-. De lo único que están seguros es de que han visto un número sorprendentemente grande de «retrocesos» de electrones en la enorme cuba de xenón líquido que es el corazón del experimento. Lo que hizo saltar a los electrones está abierto al debate. Si las partículas subatómicas llamadas neutrinos tienen propiedades magnéticas imprevistas, esta disposición podría explicar los resultados observados. O la explicación podría ser más mundana: el xenón podría estar simplemente contaminado con tritio, una forma más pesada de hidrógeno cuya radiación natural podría haber enturbiado la señal observada en XENON1T. Además, el nivel de confianza asociado a la señal anómala es de sólo «3,5 sigma», lo que significa que hay una posibilidad entre 5.000 de que la «señal» sea en realidad sólo ruido, producto de fluctuaciones estadísticas y no de auténtica física nueva. Esas probabilidades pueden parecer buenas, pero están muy por debajo del estándar de uno entre 3,5 millones, o «cinco sigmas», tradicionalmente vinculado a los descubrimientos legítimos en la física de partículas.

Además de acumular más datos y mejorar su experimento, los investigadores de XENON1T buscarán cualquier cambio anual en la señal aparente. Los axiones solares deberían hacer que esa señal fluctúe a medida que la Tierra orbita el sol. Mientras tanto, las pruebas de corroboración podrían provenir del Experimento de Materia Oscura Axion (ADMX) de la Universidad de Washington o de un experimento conocido como CAST (CERN Axion Solar Telescope) en el CERN, cerca de Ginebra. El ADMX ya ha conseguido establecer nuevas limitaciones sobre la masa del axión, y el CAST lleva buscando axiones solares desde 2003.

Si los axiones resultan ser reales, sería «un triunfo de la física teórica: haber presentado este tipo de argumento estético y que la naturaleza dijera: ‘Sí, es cierto'», afirma Wilczek, que trabaja en el Instituto Tecnológico de Massachusetts y que en 2004 recibió el Premio Nobel de Física por su trabajo teórico sobre la fuerza nuclear fuerte. La existencia de axiones, dice, apuntaría a una nueva física más allá del Modelo Estándar, algo que él y sus colegas han estado anticipando durante décadas. Se podrían construir nuevos tipos de antenas para buscar axiones creados en el universo primitivo, sugiere Wilczek. Si estos axiones pueden medirse con éxito, «se abriría un nuevo capítulo en la astronomía», añade, porque el comportamiento de las partículas podría arrojar luz sobre la formación de las galaxias y «posiblemente otras cosas sorprendentes».

Aunque estos desarrollos serían probablemente merecedores del Nobel, Wilczek no está despejando espacio en su estantería para una segunda medalla. Pero si le llegara otro Nobel, dice, «no lo rechazaría».