Uno de los enigmas más grandes para investigadores y científicos es la formación del Universo. Recientemente, la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) se ha esforzado por descubrir una nueva partícula conocida como axión, que puede, por primera vez, proporcionar información sobre los eventos que ocurrieron en el Universo justo un segundo después del Big Bang.
En este artículo te vamos a contar todo lo dice saber sobre el axión, la partícula que podría explicar el Big Bang.
Axiones y materia oscura
Inicialmente sugerido en la década de 1970 por el físico Roberto Peccei junto con su colega Helen Quinn, el axión es una partícula elemental que surge de un marco teórico destinado a abordar una cuestión dentro de la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría que describe las interacciones entre quarks y gluones. Esta cuestión pertenece al «problema de conservación de la paridad», que indica que las características específicas deben permanecer inalteradas por las interacciones nucleares. La introducción del axión sirve como mecanismo para restablecer esta simetría.
Entre las características más notorias del axión está su función potencial como componente de la materia oscura, que representa aproximadamente el 27% de la masa total del universo. La materia oscura no emite luz ni radiactividad, lo que la hace invisible y solo observable a través de su influencia gravitatoria. Si se demuestra que los axiones existen, podrían ser abundantes en todo el universo, lo que ofrece una justificación para la naturaleza esquiva de la materia oscura como partículas extremadamente ligeras y difíciles de detectar.
El Big Bang y las partículas axiónicas
La explosión primordial conocida como Big Bang, que inició la formación del universo, es un evento examinado por numerosos modelos y teorías cosmológicas. Se cree que inmediatamente después del Big Bang, emergieron una variedad de partículas y radiación. Si existen los axiones, es posible que se hayan generado en cantidades sustanciales durante esta fase temprana, desempeñando un papel en la evolución del universo.
La investigación de los axiones tiene importancia no solo para la materia oscura, sino también para mejorar nuestra comprensión del universo durante sus etapas formativas. Dado que el Big Bang produjo una gran variedad de partículas, la posible existencia de axiones puede proporcionar información sobre la organización histórica de la materia y la energía.
¿Qué información tenemos sobre la historia del Universo?
En la actualidad, el análisis del espectro electromagnético del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) ha permitido a los científicos rastrear casi 14 mil millones de años hasta la época en que el Universo se había enfriado lo suficiente para que los protones y los electrones se unieran por primera vez, lo que resultó en la formación de hidrógeno neutro.
Los fotones detectados en las observaciones del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) fueron emitidos 400.000 años después del Big Bang, lo que hace extremadamente difícil determinar la historia del Universo anterior a esta época.
Sin embargo, un trío de investigadores británicos ha propuesto una teoría que indica la posible existencia de una partícula conocida como axión, que podría haber sido emitida durante el segundo inicial de la historia del Universo. Aunque esta partícula sigue siendo hipotética, existen numerosos motivos para creer que el axión podría realmente existir dentro del Universo.
¿Qué es exactamente un axión?
Los axiones son partículas fundamentales teóricas que, aunque todavía son hipotéticas, pueden resolver ciertas cuestiones complejas dentro de las teorías de partículas contemporáneas.
La presencia del axión contribuiría a abordar la cuestión de la fuerte simetría CP, que pertenece al equilibrio entre materia y antimateria. De hecho, puede proporcionar una explicación natural para las sorprendentes similitudes en las propiedades de la materia y la antimateria, al tiempo que ofrece información sobre el predominio de la materia sobre la antimateria en el universo.
Los axiones pueden proporcionar información sobre la misteriosa «materia oscura», que constituye el 23% del Universo. Las investigaciones indican que estas partículas representan uno de los candidatos más prometedores para contribuir a la materia invisible, o materia oscura, que surgió poco después del Big Bang.
El axión y su papel en el contexto de la materia oscura
Teniendo en cuenta la posibilidad de que la materia oscura pueda consistir en axiones generados en grandes cantidades después del Big Bang, los investigadores están trabajando diligentemente para identificar la materia oscura axiónica lo antes posible.
Un artículo publicado en Physical Review D sugiere que el avance de instrumentos más sensibles destinados a detectar materia oscura puede conducir inadvertidamente al descubrimiento de otro indicador de axiones, conocido como CaB. Este término denota un axión que es análogo al Fondo Cósmico de Microondas (CMB) y se denomina Fondo Cósmico de Axiones. Sin embargo, debido a las similitudes en las propiedades entre CaB y los axiones de materia oscura, existe el riesgo de que la señal de CaB pueda ser descartada como ruido en entornos experimentales.
Para los científicos, la identificación de CaB representaría un descubrimiento doble. No solo validaría la existencia del axión, sino que también ofrecería una nueva reliquia de los primeros El Universo para la comunidad científica. El método por el que se generó CaB podría revelar facetas hasta ahora desconocidas sobre la formación y evolución del Universo.
Métodos para la detección de un axión
Los experimentos realizados por el CERN tenían como objetivo la detección del axión. Un experimento diseñado para identificar la partícula del axión implica la utilización de cavidades de microondas resonantes, que están calibradas para la masa del axión, colocadas dentro de fuertes campos magnéticos. Esta metodología se utiliza actualmente en el experimento ADMX de la Universidad de Washington y tiene el potencial de detectar el axión, en caso de que la materia oscura esté constituida completamente por axiones.
Un método adicional para detectar axiones implica el uso de helioscopios, diseñados específicamente para identificar axiones generados dentro del Sol. Esto se logra empleando un imán potente emparejado con detectores de rayos X que tienen un fondo excepcionalmente bajo. Si bien no se ha encontrado evidencia de axiones hasta la fecha, el experimento CAST, que incluye contribuciones de investigadores de la Universidad de Zaragoza, ha superado las limitaciones astrofísicas y ha abierto una región previamente inexplorada para la exploración.