El axión

En la última entrada de la serie Esas maravillosas partículas hablamos acerca del neutralino, principal candidato a WIMP y, como tal, una de las explicaciones posibles más favorecidas por los físicos para dar cuenta de la materia oscura. Ni qué decir tiene que nos encontramos ya muy lejos de los artículos de la serie en los que hablábamos de “viejas conocidas”, partículas observadas y bien explicadas por el Modelo Estándar de la física de partículas. Hoy seguimos hablando de partículas hipotéticas, de materia oscura y de candidatos a explicarla, aunque “atacando” un problema diferente al principio.

Eso sí, un par de avisos al respecto: antes de nada, si no has leído la serie desde el principio te recomiendo encarecidamente que lo hagas. Utilizaré términos a los que los “habituales” ya están acostumbrados, y si no los conoces esta entrada (ya de por sí abstracta) te va a resultar infumable: si no sabes lo que es un gluón o lo que es la interacción fuerte, hala, a empezar la serie. Además, ya que estamos hablando de algo hipotético, tendré que decir muchas veces “si existe”,“su existencia explicaría…”, pero ni sabemos si la partícula de hoy existe (y muchos piensan que no), ni siquiera sabemos muchas de las propiedades que podría tener, sólo algunas.

De modo que ésta no será una entrada larga. ¿Por qué escribirla entonces, si no voy a decir mucho? Por un lado, porque escribir una serie sobre partículas subatómicas sin mencionar algunas como la de hoy sería dejarla incompleta; y por otro, porque si alguno de los experimentos que se están realizando ahora mismo (y los hay, ¡unos cuantos!) detecta la partícula de hoy, como las hipotéticas de artículos anteriores, al menos (¡espero!) recordarás haber oído hablar de ella antes e incluso, tal vez, recordarás algunas cosas básicas sobre ella. Y en último caso, al menos podrás dirigirte a este artículo o similares para conocer más sobre ella. Dicho esto, hablemos sobre la susodicha partícula hipotética de hoy: el axión.

Curiosamente, Ciencia Kanija acaba de publicar hoy mismo una noticia sobre axiones… el mismo día que publicamos aquí este artículo, y sin que ninguno de los dos hablásemos con el otro sobre el asunto. Desde luego, recomendada lectura: http://www.cienciakanija.com/2009/02/03/los-axiones-apuntan-a-su-retorno/

Como hemos mencionado muchas veces a lo largo de la serie, hay dos cosas muy claras acerca del Modelo Estándar de física de partículas: no tenemos una teoría que explique de manera más exacta que él las partículas que conocemos, ni de lejos… y estamos absolutamente seguros de que el Modelo no funciona sin extenderlo de algún modo. Aunque todavía no hemos observado ninguna partícula que no esté predicha por el Modelo Estándar (y de hecho aún estamos buscando una de ellas, el bosón de Higgs), sabemos que hay condiciones en las que el Modelo no se cumple (como para muy altas energías), y también que hay “agujeros”: cosas que son de una determinada manera, pero no sabemos por qué, aunque tienen pinta de tener una razón de ser que aún no hemos podido ver. Me explico.

De entre las muchas ecuaciones que describen matemáticamente el Modelo Estándar, algunas se refieren a la cromodinámica cuántica, es decir, la parte de la física cuántica que estudia la interacción fuerte. Ya hemos hablado de ella en esta serie, especialmente al estudiar los piones y los gluones. El comportamiento de estas partículas, la interacción fuerte entre los quarks en general y todo lo relacionado con ellos está muy bien descrito por esta parte del Modelo; de ahí que los físicos estén tan contentos con él.

Ahora bien, una ecuación fundamental de la cromodinámica cuántica contiene un término cuyo valor no está determinado por ninguna otra cosa en el modelo, de modo que, en principio, podría tener cualquier valor posible (dentro de un orden). Dependiendo del valor de ese término (que voy a llamar “término fantasma”), algunas cosas que observamos en las partículas subatómicas serían de una manera u otra. Por ejemplo, la simetría carga-paridad (hablamos sobre estas simetrías al estudiar el positrón en esta misma serie) sólo se conserva en las interacciones fuertes si ese término tiene exactamente el valor cero.

Ya sé que a ti y a mí que se conserve esa simetría o no nos trae al fresco, pero la violación de la simetría paridad-carga en las interacciones fuertes sí tiene consecuencias que se pueden medir. Una de las más importantes es que, si se viola esa simetría, el neutrón debe tener un momento dipolar eléctrico, y al revés (si el neutrón no tiene momento, no puede violarse la simetría). “¡Pero si el neutrón es neutro!”, puede que exclames tú. “¡Ah, eso es que no te has leído la serie desde el principio!”, responderé yo. Al hablar del neutrón explicamos que el neutrón no es neutro porque no haya cargas en él, sino porque la suma de las cargas que lo componen es nula. Sin embargo, nada impide en principio (y nada en absoluto si la simetría carga-paridad puede violarse) que las cargas del neutrón estén colocadas de modo que tenga un momento dipolar eléctrico, es decir, que si lo miramos por un extremo o por el otro notemos que uno tiene carga positiva y otro negativa.

Sin embargo, todas las medidas que se han realizado sobre el momento dipolar eléctrico del neutrón han dado el mismo resultado: es nulo, con un margen de error minúsculo. Nadie ha medido nunca un valor que, teniendo en cuenta el error en la medida, no sea compatible con un momento dipolar nulo. Por lo tanto, estamos bastante seguros de que el neutrón no tiene momento dipolar eléctrico.

Pero, puesto que simetría carga-paridad y momento del neutrón van “de la mano”, estamos bastante seguros de que en la interacción fuerte sí se mantiene la simetría carga-paridad o, dicho en términos matemáticos de las ecuaciones de la cromodinámica cuántica, el término “fantasma” en la ecuación que he mencionado antes debe valer exactamente cero, aunque no hay absolutamente nada en la teoría que obligue a que así sea.

Desde luego, es posible simplemente encoger los hombros. “Ah, pues así será, el equilibrio de la Naturaleza”, podemos decir. Pero también es posible preguntarse si hay algo que no hemos visto aún, o algo en lo que no hemos pensado aún, que obligue a ese factor a tener necesariamente un valor nulo. Esto es lo que hicieron dos físicos en 1977, la australiana Helen Quinn y el italiano Roberto Peccei, trabajando por entonces ambos en los Estados Unidos. Por cierto, aunque se salga del tema, cuando Quinn se doctoró sólo el 2% de los físicos eran mujeres. La proporción ha mejorado, pero no lo suficiente. ¡Cambiemos esto, señoritas!

Roberto Peccei y Helen Quinn.

El caso es que ambos físicos, trabajando en equipo, desarrollaron la que hoy se llama teoría Peccei-Quinn. Según esta teoría, ese término no es simplemente una constante, sino que se corresponde con un nuevo campo de fuerzas. Dependiendo del potencial de este campo, el factor “fantasma” tiene un valor u otro — existe, por lo tanto, una forma determinada del nuevo campo para la que el factor desaparece, ¡toma exactamente el valor cero! Con lo que, en la teoría de Peccei y Quinn, existe un campo nuevo que cumple las condiciones adecuadas para que el término sea precisamente nulo.

Pero claro, en la teoría cuántica de campos, a cada campo le corresponde un bosón asociado (el gluón a la interacción fuerte, el fotón a la electromagnética, etc.), de modo que debe haber una partícula subatómica nueva asociada a este campo de Peccei-Quinn. Frank Wilczek, uno de los físicos más involucrados en el estudio de la interacción fuerte (y ganador reciente de un Nobel en este campo, por cierto), trabajó sobre las propiedades de esta nueva partícula hipotética poco después de la publicación de la teoría de Peccei-Quinn, y le dio el nombre de axión: una marca de detergente de la época (Axion, del grupo Colgate-Palmolive), ya que esta partícula “limpiaba” el problema de la simetría carga-paridad. Sí, yo tampoco tengo palabras.

Una vez predicho el axión, de ser cierta la teoría Peccei-Quinn, ¿cómo es esa partícula? Y, lo que es más importante, ¿por qué demonios nadie la ha visto nunca?

La respuesta a la primera pregunta es que sólo lo sabemos en parte. De existir, sabemos que el axión debe ser un bosón (con espín 0), y que no puede tener carga eléctrica, o lo hubiéramos detectado hace mucho tiempo salvo que no fuera estable, y debe serlo de acuerdo con las características del campo que cuantiza. La respuesta a la segunda tiene que ver con la primera: pensamos que su masa es minúscula, millones o hasta miles de millones de veces más ligero que un electrón. Puesto que no tiene carga no es susceptible a la fuerza electromagnética, y sólo muy débilmente a las nucleares fuerte y débil, con lo que apenas interacciona con la materia “normal”. Recuerda que cada segundo atraviesan tu cuerpo unos doscientos billones de neutrinos y tú, tan fresco.¡Pero los neutrinos están ávidos y deseosos de interaccionar con la materia normal comparados con los axiones!

Con todo esto, comprenderás que es muy difícil estar seguros de si los axiones existen o no. Una de las formas de tratar de buscarlos es utilizar campos magnéticos muy intensos, ya que es posible, de acuerdo con las ecuaciones que los describen, que los axiones aparezcan, aunque sea fugazmente, a partir de fotones en el seno de un campo magnético muy fuerte. También es posible tratar de detectar axiones de origen externo a la Tierra, pero es aún más difícil, claro está, que detectar neutrinos.

En la actualidad hay varios experimentos en marcha para tratar de detectar axiones:

El PVLAS (Polarizzazione del Vuoto con LASer, Polarización del Vacío con Láser) italiano anunció hace algún tiempo que sus observaciones parecían indicar la detección de axiones. Sin embargo, otros equipos internacionales han comprobado las condiciones de sus experimentos y no han estado de acuerdo y, recientemente, el propio equipo del PVLAS ha anunciado que, tras mejorar la sensibilidad y protección del sistema, su anterior interpretación de los resultados experimentales no es coherente y que no tienen pruebas de la detección de ningún axión.

El ADMX (Axion Dark Matter Experiment, Experimento de Materia Oscura de Axiones) estadounidense trata de detectar axiones cósmicos, procedentes del halo de la Vía Láctea, a través de una cavidad resonante con un intenso campo magnético. Hasta ahora no ha detectado axiones con éxito.

El CAST (CERN Solar Telescope, Telescopio Solar del CERN) europeo, del CERN, en la frontera franco-suiza, trata de detectar axiones procedentes del Sol. No ha detectado ningún axión, aunque sí ha estrechado bastante el cerco: ha ido limitando los intervalos posibles para algunas propiedades de los axiones, como su masa, a través de sus propios fracasos.

CAST. Crédito: CERN.

De detectarse los axiones, la noticia sería la repanocha por dos razones: por un lado, desde luego, por la verificación de la teoría Peccei-Quinn y la explicación de la conservación “forzosa” de la simetría carga-paridad en cromodinámica cuántica. Por otro (tal vez más importante, en mi opinión sí) porque, si has seguido la serie hasta ahora, eres consciente de qué bien explicarían los axiones la materia oscura: son estables, apenas interaccionan con la materia normal, pero tienen masa (aunque sea poca, con lo que harían falta muchísimos para dar cuenta de toda la masa que falta)… algunos cosmólogos piensan que nuestro Universo puede estar “nadando” en una especie de “sopa de axiones lentos”, un condensado de Bose-Einstein de estas tenues partículas con poca masa y poca energía cinética cada una, pero una masa total pasmosa. De ser así, la cosa huele a Premio Nobel — la materia oscura, como bien sabes si has seguido la serie, es uno de los problemas cosmológicos más acuciantes que tenemos.

El problema para esta interpretación es que, según los experimentos que he mencionado arriba y otros van aumentando su sensibilidad y, sin embargo, siguen sin detectar axiones, el límite superior para la masa del axión sigue disminuyendo. Es posible que llegue un momento en el que el único axión posible compatible con nuestros experimentos tenga una masa tan ridícula que no tenga sentido seguir hablando de él… o es posible que, uno de estos días, alguien haga un anuncio que nos deje a todos con la boca abierta. Ya veremos.

Para saber más:

Los experimentos tienen cada uno su enlace en la descripción.

Axión (en español, muy escasito).

Axion (en inglés, más completo).

Violación CP (en español, escasísimo).

Strong CP Problem (en inglés, mucho mejor).