La detección del axión sería uno de los momentos más importantes de la Historia de la Ciencia. Esta partícula hipotética puede resolver simultáneamente dos cuestiones fundamentales de la Física Moderna: el problema de Carga y Paridad en la interacción fuerte y el misterio de la materia oscura. Sin embargo, pese al elevado interés de los científicos por encontrarla, la búsqueda a alta frecuencia –sobre 6 GHz– ha permanecido casi inexplorada por la falta de una tecnología de alta sensibilidad para escanearla que sea fabricable a un coste razonable. Hasta ahora.

El Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) participará en una colaboración internacional para el desarrollo del experimento DALI (Dark-photons & Axion-Like particles Interferometer), un telescopio de astropartículas de materia oscura que tiene como objetivo científico la búsqueda de axiones y parafototones en la banda entre 6 y 60 GHz. El prototipo de prueba de concepto se encuentra en este momento en fase de diseño y fabricación en el IAC. El white-paper que describe el experimento ha sido aceptado para su publicación en la revista Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).

Teorizada a finales de los años 70, el axión es una partícula hipotética de masa ligera que interacciona débilmente con partículas estándar, como nucleones o electrones, y también con los fotones ordinarios, es decir, la luz. Dichas interacciones son estudiadas para tratar de detectar el axión con diferentes clases de instrumentos. En concreto, una técnica muy prometedora consiste en estudiar la interacción del axión con fotones estándar.

“Los axiones se ‘mezclan’ con los fotones bajo la acción de un fuerte campo magnético externo, como por ejemplo el producido por los imanes superconductores que se encuentran en los detectores de partículas, o los utilizados para el diagnóstico médico por resonancia magnética, produciendo una débil señal de radio o microondas. Esta señal ha sido buscada por diversos experimentos desde finales de los 80, y es precisamente la señal que queremos detectar ahora con DALI, aunque en un nuevo rango de parámetros casi totalmente inexplorado y que sería accesible por primera vez gracias a este experimento”, explica Javier De Miguel, investigador del IAC y autor principal del estudio.

Los primeros detectores de axiones, fabricados en los 80 y 90, utilizaban una cavidad resonante que, dentro de un superimán, amplificaba la débil señal de microondas generada por el axión hasta hacerla detectable por los instrumentos científicos. Lamentablemente, el tamaño de la cavidad resonante es inversamente proporcional a la frecuencia de escaneo y, en el caso del axión, las cavidades se hacen demasiado pequeñas para su realización práctica a frecuencias iguales o mayores a los 6 GHz, aproximadamente.

Por ello, el experimento adopta una de las técnicas más prometedoras para escanear a frecuencias altas y la lleva a un diseño realizable al que añade además la capacidad de detectar astropartículas de materia oscura axiónica. Así, DALI consta de un potente imán superconductor, un detector de axiones equipado con un novedoso resonador que haría detectable la débil señal producida por los axiones, y una montura altazimutal que le permite rastrear objetos y regiones en el cielo en búsqueda de materia oscura.

De esta forma, DALI podría ayudar a la detección del axión, una partícula pseudo-escalar de naturaleza similar al Bosón de Higgs descubierto en 2012 en el CERN y un candidato prometedor a materia oscura. La materia oscura es un constituyente fundamental del Universo con el que la materia ordinaria interacciona muy débilmente y que, por lo tanto, es muy difícil de detectar directamente, pero cuyo hallazgo permitiría explicar las anomalías observadas en las curvas de rotación de las galaxias espirales o por qué la formación de estructuras en el Universo ha evolucionado de la forma en que lo ha hecho hasta la actualidad, entre otros enigmas.

Artículo: Javier De Miguel. “A dark matter telescope probing the 6 to 60 GHz band”. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 10 de mayo de 2020. DOI: https://doi.org/10.1088/1475-7516/2021/04/075

- Arxiv: https://arxiv.org/pdf/2003.06874.pdf

Contacto en el IAC:

- Javier De Miguel Hernández: jmiguel [at] iac.es (jmiguel[at]iac[dot]es)