06/Feb/09

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Los axiones apuntan a su retorno

Las pruebas para los axiones se amontonan de nuevo conforme los investigadores afirman que las hipotéticas partículas pueden explicar cómo los fotones de muy alta energía viajan sin impedimento a través del cosmos.

Tales fotones y otros rayos cósmicos neutros (aparte de los neutrinos) deberían ser incapaces de viajar distancias intergalácticas debido a que son absorbidos por el opaco fondo de microondas del universo; y aun así son detectados en la Tierra.

Ahora, un grupo liderado por Malcolm Fairbairn del King"s College de Londres ha encontrado una correlación entre donde se detectó que se originaron los rayos cósmicos y donde es más probable que se "mezclen" axiones y fotones. El resultado implica que los fotones de rayos cósmicos podrían llegar a la Tierra procedentes de lejanas galaxias convirtiéndose temporalmente en axiones, los cuales pueden evitar el fondo de microondas sin ser absorbidos.

"De confirmarse esto, sería un descubrimiento importantísimo", dice Dan Hooper, físico del Fermilab en los Estados Unidos que realizó un estudio similar el año pasado.

Viejo problema

Los axiones se propusieron por primera vez a finales de la década de 1970 para resolver un problema de la física de partículas conocido como el problema CP fuerte. La teoría sugería que las partículas elementales sería muy ligeras e interactuarían muy débilmente con la materia; tan débilmente, de hecho, que nadie ha logrado aún detectarlas.

El grupo de Fairbairn —que incluye a Timur Rashba del Instituto Max Planck para Investigación del Sistema Solar y Sergey Troitsky de la Academia Rusa de las Ciencias— ha estado buscando un equivalente astrofísico de un efecto visto en los experimentos de axiones en el laboratorio. En estos experimentos de "lanzar luz a través del muro", un láser brilla contra un muro en presencia de un campo magnético. Si parte de los fotones del láser se convierten en axiones, podrían viajar libremente a través del muro y volver a convertirse en fotones para ser detectados en el otro lado.

La esperanza de Fairbairn y sus colegas es que, a escala cósmica, el "muro" podría estar proporcionado por el fondo de microondas, y el campo magnético por las galaxias.

Para ver si este efecto de "iluminar a través del universo" existe, el grupo de Fairbairn ha realizado un análisis estadístico de los rayos cósmicos neutros con energías por encima de 10¹⁸ eV registrados por el detector Ojo de Mosca de Alta Resolución (HiRes) en Utah. Estudios anteriores ya habían destacado una correlación entre la llegada de estos rayos cósmicos y las posiciones conocidas de núcleos "activos" de alta luminosidad de galaxias lejanas. Pero el grupo de Fairbairn ha demostrado que existe una correlación adicional con el perfil probable del campo magnético de nuestra propia galaxia, el cual determina la probabilidad de conversiones de fotón a axión. Los investigadores dicen que la probabilidad de que la correlación sea casual es de apenas un 2,4% (arXiv:0901.4085).

La prueba está "lejos"

Fairbairn dijo a physicsworld.com que el resultado es definitivamente una nueva prueba a favor de los axiones, pero advierte que necesita ser corroborada por más datos. "Aún estamos lejos de demostrar nada", añade. "Muy, muy lejos".

Si realmente existen los axiones, serían particularmente ligeros (menos de 10^-7 eV) y tienen un acoplamiento particularmente débil con los fotones (un acoplamiento inverso de 10¹⁰ GeV). Esta última propiedad lo descarta como una posible solución al problema CP fuerte por varios órdenes de magnitud. No obstante, aún existe una pregunta que podría encajar con uno de los posibles papeles alternativos de los axiones — el de materia oscura fría que genera la mayor parte de la gravedad del universo.

Los teóricos esperan que las partículas de materia oscura sean más pesadas de 10^-7 eV, debido a que eso significa que pudieron ser generados poco después del Big Bang y entonces dispersarse en las bajas densidades dadas por la cosmología experimental. Pero Aaron Chou, portavoz del experimento GammeV en el Fermilab, sugiere que simplemente podrían vivir en una región del universo donde la materia oscura parece ser menos densa. "Para abreviar", explica, "este modelo podría también producir materia oscura del tipo axión, pero no de una forma genérica".

No obstante, el estudio del grupo de Fairbairn respalda el trabajo de Hooper, Pasquale Serpico del CERN y Melanie Simet de la Universidad de Chicago, que encontraron una correlación similar para los fotones de baja energía el años pasado (Phys. Rev. D 77 063001; arXiv:0712.2825). Hooper y Serpico apuntan —y Fairbairn admite— que no hay forma de saber cuántos de los rayos cósmicos neutros detectados por HiRes son en realidad fotones, dado que todo lo que puede detectar son las posteriores lluvias cuando los rayos colisionan con la atmósfera de la Tierra. Además, Serpico tiene dudas sobre la efectividad del mecanismo de conversión fotón a axión a unas energías tan altas.

Errores anteriores

No sería la primera vez que los axiones han tentado a los físicos a creer en su existencia. En 2006 se puso la esperanza en una prueba experimental de un experimento italiano llamado PVLAS, el cual registró un ligero cambio en la polarización de un rayo láser cuando pasaba a través de un campo magnético en un vacío. Los investigadores de PVLAS pensaron que el cambio podría haber sido el resultado de que algún fotón del rayo láser se combinase con fotones del vacío para producir axiones. No obstante, posteriormente encontraron que la señal era un artefacto experimental.

El único camino de acción del grupo de Fairbairn actualmente es esperar más datos de otras búsquedas cósmicas, tales como el Observatorio Pierre Auger en Argentina. Mientras tanto, aún pueden esperar que un experimento de laboratorio vea las pruebas del mismo tipo de axión.

Konstantin Zioutas del CERN es el portavoz de CAST, el único experimento existente sobre axiones que tiene la sensibilidad potencial para buscar los axiones de Fairbairn y sus colegas. Dice que para empezar a observar CAST necesitaría una mejora, la cual está "al alcance" en pocos años. "Si esta idea se confirma definitivamente, será un avance para la cosmología y la física de partículas", comenta.

Fuente: Ciencia Kanija. Aportado por Gustavo A. Courault