Uno de los principales misterios en la Física es el de la llamada ‘materia oscura’. La materia que compone todo lo que vemos es tan solo un 4% del Universo. Un 23% es ‘materia oscura’, un tipo de materia no convencional que es invisible. El resto lo formaría la ‘energía oscura’, aún más desconocida para los científicos. Un experimento del CERN, CAST, trata de detectar una nueva partícula, el axión, que sería una candidata para formar parte de esa materia oscura que se formó justo después del Big Bang sin modificar demasiado el Modelo Estándar de Física de Partículas, la teoría que describe las partículas fundamentales y sus interacciones.

Además, el axión ofrecería una explicación a la asimetría materia-antimateria, que hace que todo lo que vemos esté formado de materia y la antimateria parece haber desaparecido. CAST, donde participan investigadores de la Universidad de Zaragoza, publica nuevos resultados en Physical Review Letters.

Los axiones son partículas fundamentales cuya existencia, aunque no demostrada, está fuertemente motivada por aspectos problemáticos de las teorías de partículas actuales. Por un lado está el llamado problema de la simetría CP-fuerte, relacionado con el balance entre materia y antimateria en el Universo. El axión explicaría de manera natural por qué materia y antimateria tienen propiedades tan parecidas, y podría arrojar luz sobre al hecho de por qué el Universo está lleno de materia y no de antimateria.

Por otro lado, la tan buscada ‘materia oscura’, ese 23% de Universo que no solo es invisible, sino que además es de un tipo de materia no convencional, podría estar compuesta por axiones producidos en enormes cantidades después del Big Bang.

“La detección del axión supondría una revolución en la física de partículas actual, abriendo una ventana más allá del Modelo Estándar”, asegura Igor Irastorza, responsable del grupo de investigación de la Universidad de Zaragoza que participa en CAST desde su concepción. “Además”, continúa Irastorza, “algunas observaciones astrofísicas recientes están poniendo a prueba nuestro conocimiento de los ambientes estelares o del medio intergaláctico”. Según el investigador, la detección de rayos gamma o rayos cósmicos de orígenes muy distantes, o el ritmo de enfriamiento anormalmente rápido en estrellas enanas blancas, entre otras observaciones, han sido interpretadas como posible indicación de la existencia de axiones.

De existir, el axión se produciría en grandes cantidades en el interior de estrellas por conversión de fotones en el seno de campos electromagnéticos del plasma solar. Por lo tanto, una de las maneras más prometedoras de obtener una evidencia directa de estas partículas es buscar el intenso flujo de axiones que sería emitido por el Sol. Estos axiones pueden ser detectados por medio del mismo principio físico de su producción, su conversión en fotones en un campo magnético intenso producido en el laboratorio.

El Telescopio de Axiones Solares (CAST) se basa en este concepto de detección (denominado helioscopio de axiones) y lleva una década de funcionamiento en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). CAST adapta un imán superconductor de los primeros prototipos construidos para el LHC, instalado en una plataforma orientable y equipado en sus extremos con detectores de rayos X. La señal de axiones solares esperada es un exceso de rayos X en los detectores cuando el imán está orientado con el Sol, en comparación con el fondo natural observado cuando el imán no apunta al Sol.

En su segunda fase, CAST inyecta un gas densidad variable dentro de los tubos del imán donde se produce la conversión axion-fotón, lo que permite explorar el rango de masas en el que se puede encontrar esta partícula. Desde 2008 se utiliza helio-3 para ir a densidades y rangos de masas mayores. La colaboración publica en Physical Review Letters (ver aquí el artículo en arXiv) los primeros resultados obtenidos con helio-3. La ausencia de señal positiva ha permitido excluir el axión entre las masas 0.39 y 0.64 eV (electronvoltios). El resto de los datos tomados, actualmente en proceso de análisis, permitirán extender esta exploración hasta masas de 1.17 eV.

Físicos de la Universidad de Zaragoza participan en CAST desde su inicio. Uno de los elementos innovadores de CAST es el uso de técnicas de reducción de ‘ruido de fondo’. El grupo de Zaragoza es experto en estas técnicas, desarrolladas en laboratorios subterráneos como el de Canfranc (Huesca). A pesar de estar situado en superficie, CAST es un experimento de búsqueda de sucesos poco probables, por lo que se beneficia de materiales de baja radioactividad para los detectores, del uso de blindajes y del desarrollo de algoritmos de discriminación de este ruido de fondo. El investigador responsable, Igor Irastorza, lidera un proyecto de excelencia Starting Grant del programa IDEAS del Consejo Europeo para la Investigación (ERC) concedido en 2009 para el desarrollo de dichos detectores.

Hasta ahora no han aparecido señales del axión en CAST, pero se ha mejorado la sensibilidad respecto a experimentos previos. La colaboración planea nuevas tomas de datos con mayor sensibilidad gracias a la mejora de los detectores de rayos X. A largo plazo, se proyecta la construcción de un helioscopio de axiones de nueva generación, el Observatorio Internacional de Axiones (IAXO, International Axion Observatory). IAXO se basa en la construcción de un imán superconductor específicamente concebido para la detección de axiones, junto con el uso de ópticas de rayos X y de detectores de ultra bajo fondo. Supondrá un salto cualitativo en la búsqueda del axión, no limitándose solo a axiones solares. Si el axión existe, IAXO tendrá una alta probabilidad de descubrirlo.

El Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), proyecto Consolider-Ingenio 2010, está apoyando la actividad del grupo de Zaragoza tanto en CAST como en los estudios preliminares del futuro helioscopio de axiones.