Axión, la partícula que explica el Big Bang

La creación del Universo es una de las incógnitas que más ha intrigado a investigadores y científicos. Recientemente, la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) ha intentado hallar una nueva partícula, el axión, la cual podría desvelar, por primera vez, lo que sucedió en el Universo un segundo después del Big Bang.

Propuesto por primera vez en la década de 1970 por el físico Roberto Peccei y su colega Helen Quinn, el axión es una partícula elemental que surge de una hipótesis para explicar un problema en la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD), que es la teoría que describe la interacción entre quarks y gluones. El problema en cuestión es el «problema de la conservación de la paridad», que sugiere que ciertas propiedades no deberían ser alteradas por las interacciones nucleares. El axión se introduce como una forma de restaurar esta simetría.

Axiones y Materia Oscura

Uno de los aspectos más intrigantes del axión es su posible papel como componente de la materia oscura, que constituye aproximadamente el 27% de la masa del universo. La materia oscura no emite luz ni radiactividad, lo que la hace invisible y detectable solo a través de sus efectos gravitacionales. Si los axiones existen, podrían ser abundantes en el universo, proporcionando una explicación para la materia oscura al ser partículas extremadamente ligeras y difíciles de detectar.

El Big Bang y los Axiones

El Big Bang, la explosión primordial que dio origen al universo, es un evento que se estudia mediante diversas teorías y modelos cosmológicos. Se cree que en los momentos inmediatos después del Big Bang, se formaron diversas partículas y radiaciones. Los axiones, si existen, podrían haber sido producidos en grandes cantidades durante esta fase inicial, contribuyendo a la evolución del universo.

El estudio de los axiones no solo tiene implicaciones para la materia oscura, sino también para nuestra comprensión del universo en sus etapas más tempranas. Dado que el Big Bang generó una gran variedad de partículas, la existencia de axiones podría ofrecer pistas sobre cómo la materia y la energía se han organizado a lo largo del tiempo.

¿Qué se sabe sobre el pasado del Universo?

En la actualidad, las observaciones del espectro electromagnético del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) ha permitido a los científicos retroceder casi 14.000 millones de años hasta el momento en que el Universo se enfrió lo suficiente como para que los protones y electrones se combinaran por primera vez y formaran hidrógeno neutro.

Los fotones que muestran las observaciones del CMB, se liberaron 400.000 años después del Big Bang, por lo que es casi imposible conocer la historia del Universo antes de esta época.

Sin embargo, tres investigadores británicos han desarrollado una teoría que sugieren la existencia de una partícula llamada axión que pudo ser liberada en el primer segundo de la historia del Universo. Si bien se trata de una partícula hipotética, hay muchas razones para sospechar que el axión realmente podría existir en el Universo.

¿Qué son los axiones?

Los axiones son partículas fundamentales que, aunque son hipotéticas, podrían estar relacionados con aspectos problemáticos de las teorías de partículas actuales.

La existencia del axión ayudaría a resolver, por ejemplo, el problema de la simetría CP-fuerte relacionado con el balance entre materia y antimateria. De hecho, podría explicar de manera natural por qué materia y antimateria tienen propiedades tan parecidas y dar una pista sobre por qué el universo está repleto de materia y no de antimateria.

Los axiones también podrían arrojar luz sobre la llamada “materia oscura” que compone el 23% de Universo. De acuerdo a las investigaciones, estas partículas son una de las candidatas prometedoras para formar parte la materia invisible o materia oscura que se formó justo después del Big Bang.

El axión y su presencia en la materia oscura

Ante la posibilidad de que la materia oscura esté compuesta por axiones producidos en enormes cantidades tras la explosión del Big Bang, los investigadores están tratando de hallar, lo más pronto posible, la materia oscura del axión.

De acuerdo a un artículo publicado en Physical Review D, el desarrollo de nuevos instrumentos más sensibles para encontrar materia oscura podrían también ayudar a tropezar con otro signo de axiones en forma de CaB. Es decir, un axión análogo al CMB, llamado Fondo de axión cósmico. Pero como el CaB tiene propiedades similares con los axiones de materia oscura, existe el riesgo de que los experimentos arrojen la señal de CaB como ruido.

Para los científicos, encontrar el CaB significaría un doble descubrimiento. En primer lugar, confirmaría finalmente la existencia del axión y, en segundo lugar, la obtención de un nuevo fósil del Universo temprano para la comunidad científica. De acuerdo a cómo se produjo el CaB, los investigadores podrían descubrir diferentes aspectos relacionados con la creación y evolución del Universo nunca antes conocidos.

Los experimentos del CERN para detectar el axión

Uno de los experimentos que se están realizando para la detección de la partícula axión, se basa en el uso de las cavidades de microondas resonantes (a la masa del axión) inmersas en potentes campos magnéticos. Esta técnica es la actualmente empleada en por el experimento ADMX en la Universidad de Washington y podría detectar el axión en caso de que, en efecto, la materia oscura esté compuesta por axiones en su totalidad.

Otra de las técnicas utilizadas para detectar axiones es a través de helioscopios, cuyo propósito es identificar los axiones producidos en el interior del Sol. Para ello, se utiliza un potente imán equipado con detectores de rayos X de muy bajo fondo. El helioscopio de axiones más potente es el Telescopio de Axiones Solares (CAST) que lleva una década de funcionamiento en el CERN.

Aunque aún no se han obtenido indicios de los axiones, el CAST, donde participan investigadores de la Universidad de Zaragoza, ha superado límites astrofísicos y ha posibilitado el acceso a una zona que, hasta entonces, era inexplorada. Todos los nuevos resultados y hallazgos obtenidos son publicados en Physical Review Letters.

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