A la caza del axión, la partícula que puede explicar el Big Bang

Detectar esta partícula, aún teórica, nos mostraría cómo era el Universo cuando tenía menos de un segundo, y podría también resolver el misterio de la materia oscura

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08/07/2021 a las 13:57h.

¿Hasta dónde podemos observar el pasado del Universo? Gracias a la radiación electromagnética, por ejemplo, podemos remontarnos hasta unos pocos cientos de miles de años después de su origen. De hecho, las observaciones del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) , la radiación residual ... del Big Bang, nos permite retroceder casi casi hasta el principio, cuando el Universo se enfrió lo suficiente para permitir que protones y electrones se combinaran por primera vez y liberaran fotones, las partículas que transportan la luz. Pero eso no sucedió inmediatamente después del Big Bang. Los primeros fotones en el CMB, en efecto, se liberaron cerca de 400.000 años después de la Gran Explosión, y eso hace que resulte extremadamente difícil saber qué es exactamente lo que sucedió antes de ese momento.

Para abrir una ventana que nos permita remontarnos aún más en el tiempo, tres físicos teóricos de la Universidad de California y el Lawrence Berkeley National Laboratory decidieron 'ir más allá' de los fotones y adentrarse en el reino de unas hipotéticas partículas, los axiones , que algunas teorías sostienen que pudieron haber sido emitidas durante el primer segundo de historia del Universo.

En un artículo publicado en 'Physical Review D' , los investigadores sugieren que los axiones podrían buscarse en un análogo del Fondo Cósmico de Microondas, esto es, en un 'Fondo Cósmico de Axiones' , o CaB. A pesar de que por ahora los axiones solo son partículas teóricas y no descubiertas aún en laboratorio, existen buenas razones para sospechar que realmente existen en la naturaleza.

Por un lado, la existencia de los axiones está predicha por la teoría de cuerdas, una de las mejores apuestas que tenemos en la actualidad para conseguir una teoría que unifique la Mecánica Cuántica y la Relatividad . Los axiones, además, se han convertido en prometedores candidatos a ser los componentes íntimos de la materia oscura, y por ello los físicos se esfuerzan por descubrirlos en sus experimentos.

En su artículo, los investigadores señalan que a medida que se desarrollan instrumentos cada vez más sensibles para buscar materia oscura, los experimentadores podrían tropezar con una nueva pista, en forma de CaB, que les lleve hasta los axiones. Sin embargo, y debido a que el supuesto Fondo Cósmico de Axiones comparte ciertas propiedades con los propios axiones de materia oscura, existe el riesgo de que la esperada señal se descarte como ruido.

Un doble descubrimiento

Encontrar el CaB en uno de estos instrumentos sería un doble descubrimiento. No solo confirmaría la existencia del axión, sino que los investigadores de todo el mundo tendrían inmediatamente a su disposición un nuevo 'fósil' del Universo temprano. Y dependiendo de cómo se originó el CaB, podrían aprender sobre varios aspectos de la evolución del Universo temprano de una forma que ahora resulta imposible.

"Lo que hemos propuesto -señala Hitoshi Murayama, coautor de la investigación- es que, al cambiar la forma en que los experimentos actuales analizan los datos, es posible que podamos buscar axiones sobrantes del Universo temprano. Entonces, podríamos aprender sobre el origen de la materia oscura, la transición de fase o la inflación al comienzo del Universo. Ya existen grupos experimentales que han mostrado interés en nuestra propuesta, y espero que podamos descubrir algo nuevo sobre el Universo primitivo que no se conocía antes".

Jeff Dror, otro de los miembros del equipo, cree por su parte que "la evolución del Universo pudo producir axiones con una distribución de energía característica. Al detectar la densidad de energía del universo actual compuesto por axiones, experimentos como MADMAX, HAYSTAC, ADMX y DMRadio podrían darnos respuestas a algunos de los misterios más importantes de la cosmología: ¿Cómo de caliente fue el principio del universo? ¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura? ¿Experimentó realmente el Universo un período de rápida expansión conocido como inflación?".

El nuevo estudio, pues, ofrece serias esperanzas de que los axiones sean los tan buscados componentes de la materia oscura. Pero incluso si no fuera así, encontrar axiones nos daría una imagen inédita de nuestro Universo. Una que nos lo mostraría, por primera vez, cuando tenía menos de un segundo.