Uno de los retos anunciados por el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) para este 2014 fue la detección de la materia oscura, una forma desconocida de materia que compone el 25% del Universo.
Ante la falta de pistas de partículas 'pesadas' que la conformen, algunos científicos apuntan al axión, una partícula neutra y muy ligera (pero no sin masa), que no interacciona, o lo hace muy débilmente, con la materia convencional. Asimismo vendría a resolver además uno de los problemas del Modelo Estándar.
Para detectarlo, una colaboración internacional de la que forman parte físicos españoles ha propuesto al CERN la construcción de IAXO, el Observatorio Internacional de Axiones, que se prevé que esté listo en un plazo de tres años.
Tras la valoración del proyecto por parte de los comités del laboratorio, entra en una fase decisiva: el diseño del instrumento, según ha informado el Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN) en una nota.
El axión, un fotón "extraño"
Los axiones aparecen en las llamadas extensiones del Modelo Estándar de Física de Partículas, la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones.
El axión se habría producido en grandes cantidades cuando se formó el Universo. En teoría, estos axiones seguirían existiendo en la actualidad y podrían componer la materia oscura del Universo, que supone un cuarto de todo el cosmos.
Esta partícula se puede considerar como un fotón "extraño". De hecho, la teoría predice que, de existir, se podría transformar en fotón (y viceversa) en el seno de campos electromagnéticos, propiedad crucial para los experimentos que buscan su detección.
Así, los axiones se podrían producir y detectar tanto en las estrellas como en el laboratorio, mediante el uso de potentes campos magnéticos.
En busca del axión
Recientemente, un grupo de físicos de la Universidad de Leicester ha propuesto el axión para explicar un 'exceso' en la señal de rayos X (fotones) procedente del Sol detectada por el satélite XMM-Newton (ESA), que según su interpretación podría ser debida a axiones solares transformados por el campo magnético de la Tierra (arXiv, Nature News).
El ingrediente principal de un experimento de axiones es un potente imán. En el propio CERN ya se estaba usando un helioscopio, que es un instrumento que busca axiones producidos por el Sol. Se trata del Telescopio de Axiones Solares del CERN (CAST), que usa uno de los prototipos de los imanes superconductores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).
Sin embargo, como ha apuntado Igor García Irastorza, investigador de la Universidad de Zaragoza participante en CAST, "para avanzar en la búsqueda del axión se requiere una infraestructura completamente nueva".
El nuevo imán superconductor
Así nace la propuesta del Observatorio Internacional de Axiones (IAXO), un nuevo experimento que prevé construir un imán superconductor toroidal específico, capaz de generar un alto campo magnético en un gran volumen.
El imán, de 25 metros de largo y 5 de diámetro, estaría formado por ocho bobinas superconductoras que producirían un campo magnético de 2,5 tesla, superior al del experimento ATLAS del LHC en el que se inspira.
"El imán de IAXO produce una señal 300 veces más intensa que el de CAST, superando el cociente señal-ruido de CAST en un factor 105", asegura el investigador español, portavoz de esta nueva iniciativa.
Óptica NASA
Para la detección de axiones, IAXO pretende utilizar ópticas similares a las del satélite de astrofísica de rayos X NuSTAR (NASA).
Las ópticas de NuSTAR consisten en miles de sustratos cristalinos termoformados, en los que se realizan depósitos multicapas rediseñados para ajustarse al espectro de energías de los axiones solares.
La propuesta proviene de 90 científicos de 14 países, quienes publicaron el diseño conceptual del experimento y lo presentaron al comité de expertos del CERN que evalúa las propuestas para albergar experimentos en el laboratorio.
El grupo de la Universidad de Zaragoza que dirige Igor García Irastorza es el único español que participa en IAXO. El investigador lidera la puesta en marcha de IAXO como portavoz de la colaboración, además de ser investigador principal de una Starting Grant del ERC con la que se ha desarrollado uno de los pilares tecnológicos del observatorio de axiones.
Como parte del diseño técnico de IAXO, la Universidad de Zaragoza albergará un prototipo de detector con especificaciones cercanas a los detectores finales del instrumento.