El axión es considerado el favorito en la búsqueda de partículas que puedan constituir materia oscura. Se trata de una hipotética partícula elemental que, al igual que las partículas que transportan las fuerzas fundamentales y el Higgs, pertenece a los bosones. Pero hasta ahora no se ha rastreado ningún axión. Los físicos surcoreanos han mejorado un detector existente de una manera inusual: utilizan un metamaterial y el arte del kirigami, una forma de origami en la que el papel se puede cortar y doblar. Lo informan en la revista especializada “Physical Review Letters”.
Los axiones son una posible respuesta a la pregunta de de qué está hecho el material invisible que parece ser responsable de la mayor parte de la gravedad del universo. La existencia de la llamada materia oscura se postula en el modelo estándar de cosmología, el modelo Lambda-CDM, para explicar el movimiento de la materia visible, en particular la velocidad con la que las estrellas orbitan el centro de su galaxia. Durante décadas, los físicos han buscado en vano a los principales sospechosos, las WIMP (abreviatura de partículas masivas que interactúan débilmente). En este contexto, algunos también buscan el axión, una partícula casi sin masa propuesta originalmente para resolver otro problema dentro de la teoría de la fuerza nuclear fuerte.
Los axiones pueden ser más pesados de lo que se pensaba
Si existieran, los axiones tendrían que interactuar con un campo magnético y transformarse en fotones detectables a una frecuencia proporcional a la masa del axión, en algún lugar dentro del alcance de la radio. El Experimento Axion de Materia Oscura (ADMX) de la Universidad de Washington, por ejemplo, consiste en un cilindro metálico de 30 centímetros de ancho y un metro de largo, enfriado hasta casi el cero absoluto y sumergido en un fuerte campo magnético. El cilindro actúa como una antena para captar la señal de ondas de radio. Dependiendo de su tamaño emite ondas de diferentes frecuencias, del mismo modo que el tamaño y la forma de una botella determinan el tono que se produce al soplar en su apertura. Los expertos pueden ajustar la frecuencia de resonancia del cilindro para amplificar la señal de radio de los axiones sospechosos. ADMX tomó muestras de frecuencias de 0,6 a 1,1 gigahercios y no encontró nada. Por lo tanto, los axiones con masas entre 2,7 y 4,3 microelectrones voltios pueden excluirse como fuente de materia oscura.
Sin embargo, trabajos teóricos recientes sugieren que el axión puede ser más pesado. Para obtener frecuencias más altas con el detector, los físicos tendrían que reducir el tamaño de la cámara. Sin embargo, se pierde la sensibilidad del dispositivo. En lugar de hacerlo más pequeño, el equipo dirigido por Sung Woo Youn, físico del Instituto de Ciencias Básicas de Corea del Sur, decidió utilizar un modo de mayor frecuencia de la misma cavidad. Sin embargo, hay un problema. En el modo más bajo de una cavidad, el campo eléctrico de las ondas de radio oscila uniformemente hacia arriba y hacia abajo a lo largo del eje de la cavidad. Sin embargo, en el siguiente modo de frecuencia, los campos eléctricos en el centro y en el área exterior de la cavidad apuntan en direcciones opuestas y ya no oscilan sincrónicamente. Esto limitaría drásticamente la conversión de axiones en fotones.
«Lo que hizo el grupo surcoreano es una idea muy inteligente y parece que la han implementado bien».Aaron Chou, físico cuántico
Para solucionar este problema, Youn y sus colegas colocaron varillas de material aislante en el centro de la cavidad. Las varillas absorbieron la mayor parte del campo eléctrico, mientras que se permitió que el campo más allá de las varillas oscilara con la máxima fuerza, restaurando la tasa de conversión. Como esto resultó difícil en la realidad, los investigadores recurrieron a una idea del campo de los metamateriales. Se trata de estructuras artificiales que se comportan como materiales ordinarios pero tienen propiedades novedosas. Un material ordinario se contrae en anchura cuando se estira en longitud. Sin embargo, se puede diseñar un metamaterial de manera que se extienda en todas direcciones bajo tensión de tracción. Para lograrlo, los investigadores se inspiraron en el arte japonés del kirigami.
Dispusieron sus siete varillas aislantes en una forma hexagonal especial que puede expandirse, cambiando el modo de frecuencia. Lo fundamental es que la disposición se expanda simétricamente para garantizar una fuerte resonancia. En una prueba inicial, los físicos buscaron axiones entre 21,38 y 21,79 microelectrones voltios y lograron una sensibilidad récord en este rango durante dos semanas y a una temperatura relativamente alta.
«Lo que hizo el grupo surcoreano es una idea muy inteligente y parece que la implementaron bien», dijo al portal de noticias «Science» Aaron Chou, físico cuántico del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi. Y Gray Rybka, físico de astropartículas de la Universidad de Washington, añadió: “Hay muchos artículos de personas que dicen que se podría construir algo como esto. Los surcoreanos lo construyeron». Ahora el detector optimizado sólo necesita detectar axiones.
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