Nos falta aproximadamente el 85 por ciento de la masa del universo: podemos inferir su existencia, pero no podemos verla. A lo largo de los años, se han propuesto diversas explicaciones para esta «materia oscura», desde agujeros negros hasta partículas aún por descubrir. Una de ellas, el axión, está atrayendo cada vez más atención, y los investigadores dirigen su mirada al firmamento para tratar de localizarlo.

Los axiones son hipotéticas partículas ligeras cuya existencia resolvería dos grandes problemas. El primero, que se remonta a la década de 1960, es el problema CP fuerte (donde la C significa «conjugación de carga» y la P «paridad»), que pregunta por qué los quarks y los gluones que componen los protones y neutrones obedecen una determinada simetría. Los axiones demostrarían que el responsable es un campo invisible.

El segundo problema es el de la materia oscura. Los axiones «son excelentes candidatos a [constituir la] materia oscura», destaca Asimina Arvanitaki, investigadora del Instituto Perimeter de Física Teórica de Waterloo. Estas partículas se agruparían justo de la forma en que esperamos que lo haga la materia oscura y tienen las propiedades adecuadas para explicar por qué nos cuesta tanto detectarlas: son extremadamente ligeras y reacias a interactuar con la materia ordinaria.

A principios de año, un grupo de científicos anunció que podrían haber detectado indicios de axiones producidos por estrellas de neutrones (astros generados por el colapso de una estrella masiva, tan densos que una pizca apenas mayor que un grano de arena pesaría tanto como un portaaviones). Desde los años ochenta, los físicos piensan que los axiones, si existen, deberían producirse en el caliente centro de las estrellas de neutrones, donde los neutrones y los protones chocan entre sí a altas energías.

Los axiones deberían ser miles de millones de veces más ligeros que los electrones, por lo que podrían abandonar el denso interior de una estrella de neutrones y escapar al espacio, donde se toparían con el fortísimo campo magnético de la estrella. En presencia de un campo magnético tan intenso, los axiones deberían convertirse en fotones, las partículas de la luz. (Esa transformación es la base de algunos experimentos que buscan axiones desde la Tierra, como el Experimento sobre Materia Oscura Axiónica, que emplea potentes imanes para intentar detectarla). Al atravesar el campo magnético de las estrellas de neutrones, los axiones generarían fotones de rayos X.

Pero detectar esos rayos X no es fácil. La mayoría de las estrellas de neutrones descubiertas hasta ahora son púlsares que giran muy deprisa y ya liberan grandes cantidades de rayos X sin necesidad de axiones. Por ello, la nueva investigación se centró en un grupo de estrellas de neutrones de nuestra galaxia conocidas como «las siete magníficas», las únicas de entre las que hemos observado que no rotan a gran velocidad. «Son las estrellas de neutrones más aburridas que uno pueda imaginar», afirma Benjamin Safdi, físico de la Universidad de California en Berkeley y coautor del estudio. «Simplemente están ahí, sin hacer nada.»

En el estudio, publicado en enero en Cartas de revisión física, Safdi y sus colaboradores sostienen que seis de esas estrellas de neutrones presentan un exceso de rayos X de alta energía que «podría deberse a la existencia de axiones», según Safdi. El equipo no se atribuye ningún descubrimiento definitivo, solo señala la discrepancia para seguir investigándola.

Pero buscar indicios de hallazgos revolucionarios en el espacio tiene un problema: a diferencia de lo que ocurre en los laboratorios ultralimpios de la Tierra, el espacio es un hervidero de actividad. Podría ser que estuviéramos presenciando algún otro proceso astrofísico no relacionado con los axiones, o que el exceso de rayos X no fuera real. El equipo de Safdi pretende investigar la cuestión con instrumentos como el telescopio NuSTAR de la NASA, que puede observar rayos X más energéticos que los registrados por otros telescopios espaciales. «Observando esos rayos X de mayor energía, tal vez logremos aislar la señal de los axiones», explica Safdi.

Otros experimentos de axiones emplean el Sol, en cuyo interior también deberían producirse axiones que luego escaparían al espacio. Desde hace ya muchos años, el Telescopio Solar de Axiones del CERN (CAST) apunta a nuestra estrella con un imán superconductor de 10 metros de largo. El imán convertiría los axiones incidentes en fotones de rayos X, que podría registrar un detector situado en el extremo posterior del imán.

CAST no ha encontrado aún ningún axión, pero sus resultados y los de otras búsquedas que hay en marcha ayudan a imponer restricciones sobre las propiedades de los axiones, por ejemplo sobre cuándo podrían convertirse en fotones. Ya se está trabajando en los sucesores del CAST, que usarán imanes más grandes y potentes. En 2024 comenzará a operar el Pequeño Observatorio Internacional de Axiones (BabyIAXO) en el centro de investigación alemán DESY. Será 100 veces más sensible que CAST y servirá como precursor del experimento completo IAXO, que será «aún cien veces mejor», en palabras de Igor Irastorza, investigador de la Universidad de Zaragoza y uno de los líderes de CAST.

Los investigadores también exploran formas indirectas de detectar los efectos de los axiones en el espacio. Algunas enanas blancas (el remanente que dejan las estrellas como nuestro sol cuando agotan su combustible) parecen enfriarse más rápido de lo esperado. Una posible explicación es que los axiones estén escapando de esas estrellas muertas, llevándose energía con ellos. Ese rápido enfriamiento es «justo lo que cabría esperar si hubiera axiones sustrayendo energía de esas estrellas», afirma Irastorza. (Sin embargo, todavía no es posible establecer un vínculo concluyente.)

También hay quien sostiene que los agujeros negros son excelentes laboratorios para poner a prueba la existencia de los axiones. Para ello habría que buscar signos de superradiancia, un fenómeno donde partículas ligeras como los axiones harían que un agujero negro perdiese energía y momento angular, ralentizando su rotación hasta en un 90 por ciento. «Si vemos que un agujero negro gira muy rápido, sabemos que ese proceso no ha ocurrido», apunta Masha Baryakhtar, física de partículas de la Universidad de Washington. Pero si lográsemos medir la masa y la rotación de suficientes agujeros negros, por ejemplo con los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo, podríamos empezar a buscar patrones. Y estos quizá «coincidirían con los que predicen los cálculos si hay axiones presentes», indica Baryakhtar.

A medida que los axiones se han ido convirtiendo en uno de los candidatos a materia oscura más atractivos, los investigadores han ideado formas cada vez más elaboradas de detectar esas etéreas partículas que podrían no existir. «El campo está en plena explosión», opina Arvanitaki. Y según Jesse Thaler, físico de partículas del Instituto de Tecnología de Massachusetts, aunque las búsquedas desde la Tierra aún «no han encontrado nada destacable», alzar la vista al cielo podría ser la vía más prometedora hacia una detección.

«Como los axiones u otras partículas con propiedades similares a las de la materia oscura interactúan tan débilmente, necesitamos un gran número de ellos en algún lugar para que generen una señal que podamos ver», concluye Thaler. Y para ello lo mejor sería «aprovechar todo el universo como detector.»

Jonathan O’Callaghan

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «La emisión de axiones puede explicar un nuevo exceso de rayos X duros de estrellas de neutrones aisladas cercanas», Malte Buschmann, Raymond T. Co, Christopher Dessert y Benjamin R. Safdi en Cartas de revisión física, vol. 126, art. 021102, enero de 2021.



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