What is the axion?

What is the axion? and why it is being searched for by particle physicists? what is its relation with the Dark Matter of the Universe?

[Text in Spanish to appear in the CPAN web – outreach section “ask and expert” . December 2013]

¿Qué es el axión y porqué lo buscan los físicos de partículas? ¿qué relación tiene con la Materia Oscura?

El axión es una partícula hipotética que aparece en extensiones del Modelo Estándar (SM) de Partículas Elementales que incluyen el llamado mecanismo de Peccei-Quinn. Este mecanismo fue postulado hace ya 35 años para explicar un problema no resuelto del Modelo Estándar: el llamado problema de la CP-fuerte.

Una ley física tiene simetría CP (simetría de carga-paridad) cuando ésta es igualmente válida después de intercambiar cada partícula por su antipartícula (simetría C o conjugación de carga) y, al mismo tiempo, de invertir las coordenadas espaciales (simetría P, paridad, o “espejo”). Es sabido desde hace tiempo que las interacciones electrodébiles del Modelo Estándar no respetan la simetría CP, es decir, se han observado fenómenos que, aunque sea ligeramente, violan esta simetría.

Sin embargo, este no parece ser el caso con las interacciones fuertes. No se ha observado ningún fenómeno que viole CP en este sector, y la no observación impone unas restricciones muy incómodas a los parámetros de entrada (no-predichos) del Modelo Estándar, que deben ser ajustados finísimamente (fine-tuning) para que teoría y observación concuerden. Cuando esto ocurre en una teoría, es porque hay algo que no entendemos y muy probablemente nuestra teoría esté incompleta. Esto es el problema de la CP-fuerte.

El mecanismo de Peccei-Quinn se propuso para solucionar este problema de manera natural, sin requerir ningún ajuste de parámetros. Como efecto colateral, sin embargo, aparece una nueva partícula, el axión, que puede tener importantes consecuencias observables. En primer lugar, el axión es una partícula neutra y muy ligera (pero no sin masa), y no interacciona, o lo hace muy débilmente, con la materia convencional. En parte se puede ver el axión como un fotón “extraño”. De hecho, la teoría predice que el axión, de existir, se podría transformar en fotón (y viceversa) en el seno de campos electromagnéticos. Esta propiedad del axion es crucial en la mayoría de las estrategias experimentales de detección de axiones.

Pero sin duda una de las propiedades más sugerentes del axión es que, de manera natural, éste se produciría en grandes cantidades en una época temprana del Universo. Esta población de axiones seguiría presente a día de hoy y podría componer la Materia Oscura del Universo. La existencia de esta Materia Oscura está ampliamente aceptada en la comunidad científica, pero su naturaleza es un misterio. Junto con los WIMPs[1], los axiones están entre los candidatos más buscados por los físicos de partículas en el contexto del problema de la naturaleza de la Materia Oscura.

Gracias a la propiedad de su conversión en fotones (y viceversa) en el seno de campos electromagnéticos, los axiones se podrían producir y detectar en el laboratorio, mediante el uso, por ejemplo de potentes campos magnéticos. Se están llevando a cabo tales experimentos (p. ej ALPS en DESY, o OSQAR en el CERN), aunque su sensibilidad está aún muy alejada de la necesaria para “ver” axiones  como los que predice el mecanismo de Peccei-Quinn. Si el axion existe y es el componente principal de la Materia Oscura, los propios axiones fósiles que estarían bombardeándonos continuamente podrían detectarse usando cavidades de microondas resonantes (a la masa del axion) inmersas en potentes campos magnéticos. Este esquema es el seguido, por ejemplo, por el experimento ADMX en la Universidad de Washington. ADMX podría detectar el axión, si su masa (que nos es desconocida) se encuentra en el rango apropiado de sensibilidad del experimento (en torno a los microelectronvoltios) y si la Materia Oscura está compuesta por axiones en su totalidad.

Otra técnica muy prometedora, que además es independiente de que el axion sea la Materia Oscura, son los helioscopios de axiones, que tratan de detectar los axiones producidos en el interior solar. Estos se podrían detectar, una vez más, usando un potente imán, pero equipado con detectores de rayos-x de muy bajo fondo. El helioscopio de axiones más potente hasta la fecha es el Telescopio de Axiones Solares del CERN, o CAST[2], en el que participa el grupo de la Universidad de Zaragoza, y que lleva en marcha en el CERN desde hace una década. Aunque a fecha de hoy no se han obtenido señales de los axiones, CAST ha sido el primer helioscopio con sensibilidad suficiente como para superar límites astrofísicos previos a las propiedades del axión y entrar en zona hasta entonces inexplorada. En particular, CAST es sensible a axiones de Peccei-Quinn con masas en el entorno de 0.1-1 eV aproximadamente.

Actualmente, se está preparando una nueva generación de helioscopio de axiones, denominado IAXO, u Observatorio Internacional de Axiones[3]. IAXO es una ambiciosa extensión de la filosofía de CAST, usando un imán superconductor de mayores dimensiones y específicamente diseñado para buscar axiones, y equipado por ópticas de rayos-x que concentrarían la señal hipotética y por detectores de rayos-x de ultra-bajo fondo. El diseño conceptual de IAXO se presentó en el CERN el pasado octubre y la propuesta se está estudiando en estos momentos en el comité científico SPS. IAXO tendría sensibilidad para detectar axiones solares en un rango de masas mucho más amplio que CAST y por tanto exploraría una zona muy importante de su espacio paramétrico que además es inaccesible con otras técnicas. Por otra parte, el imán de IAXO podría también alojar otros tipos de experimentos de axiones, por lo que IAXO podría convertirse en una infraestructura axiónica más genérica. Si el axion existe, IAXO tendrá posibilidades reales de descubrirlo.