Científicos del Centro de Astropartículas y Física de Altas Energías (CAPA) de la Universidad de Zaragoza, en colaboración internacional con el CERN, han establecido el límite más restrictivo hasta la fecha en la búsqueda de axiones, unas partículas que podrían ser la clave para resolver dos de los mayores misterios de la física moderna.
El nuevo resultado, publicado en Physical Review Letters, representa la culminación de dos décadas de trabajo en la colaboración internacional de CAST (CERN Axion Solar Telescope), demostrando que, si los axiones existen, su interacción con la luz debe ser aún más débil de lo esperado. “Este resultado no sólo mejora nuestros resultados anteriores, sino que supera incluso los límites derivados de argumentos astrofísicos muy competitivos, como las derivadas de la observación de estrellas en cúmulos globulares”, explica el científico Igor G. Irastorza, líder del proyecto en la Universidad de Zaragoza. “Es especialmente significativo porque, a diferencia de las observaciones astrofísicas, nuestro resultado se basa en medidas directas realizadas en condiciones controladas de laboratorio”.
Los axiones son unas partículas postuladas a final de los años 70 que podrían explicar simultáneamente el origen de la materia oscura y resolver uno de los enigmas más profundos de la física de partículas, el “problema CP fuerte”. Los axiones son además candidatos ideales para explicar la materia oscura, esa misteriosa forma de materia que constituye aproximadamente el 85% de toda la materia del Universo y que, a día de hoy, sólo podemos detectar por sus efectos gravitacionales.
El experimento CAST hace uso de un imán prototipo del LHC reconvertido en un telescopio muy especial, capaz de apuntar al núcleo solar y convertir axiones en rayos X detectables. El grupo del CAPA ha logrado duplicar la eficiencia de detección de estos axiones en la última fase del experimento. “Durante el desarrollo de mi tesis, hemos logrado mejorar significativamente la sensibilidad del experimento”, señala Cristina Margalejo, investigadora predoctoral del CAPA especializada en detectores de rayos X de ultra bajo fondo. “Esto nos ha permitido establecer estos límites tan restrictivos en la búsqueda de axiones. La clave ha sido el desarrollo de nuevas técnicas de análisis y el uso de una nueva óptica de rayos X, que, junto con una nueva mezcla de gases para nuestro detector basada en xenón, nos ha permitido reducir el ruido de fondo donde esperamos la señal.”
El nuevo límite establecido para el acoplamiento axión-fotón es de 5.8×10⻹¹ GeV⻹, lo que representa una mejora sustancial respecto a medidas anteriores. “Los resultados pueden visualizarse en lo que llamamos un gráfico de exclusión, que es como un mapa donde vamos descartando las regiones donde el axión no puede habitar”, explica Jaime Ruz, experto en óptica de rayos X con amplia experiencia en CAST. “Con CAST hemos logrado explorar masas de axiones con una sensibilidad que ningún otro experimento había alcanzado antes, acercándonos a una región muy prometedora donde la teoría predice los principales modelos de axiones, aunque también podríamos encontrar otras partículas de tipo axiónico fuera de esta región”.
Todo el conocimiento técnico acumulado será fundamental para IAXO (Observatorio Internacional de Axiones), el siguiente gran proyecto en este campo que se está construyendo en DESY, Alemania. El observatorio IAXO, liderado por Igor G. Irastorza desde la Universidad de Zaragoza, representará un salto cualitativo en la búsqueda de axiones, con una sensibilidad muy superior a CAST. La participación destacada del grupo zaragozano en ambos experimentos consolida a la Universidad de Zaragoza como uno de los centros de referencia mundial en la búsqueda de axiones, una de las líneas de investigación más prometedoras en la física fundamental actual, que podría proporcionar respuestas a dos de los grandes misterios de la física moderna: la naturaleza de la materia oscura y el llamado “problema CP fuerte” de la cromodinámica cuántica.