Proyecto para construir el mayor observatorio de axiones del mundo

Tras el descubrimiento del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), se busca nueva frontera para la física de partículas. La materia oscura, una forma desconocida de materia que compone el 25% del Universo pero que aún no ha sido detectada, aparece como uno de los mayores retos. Hay múltiples experimentos persiguiéndola, cada uno basado en diversas teorías sobre su naturaleza, pero hasta ahora no hay señales inequívocas.

Ante la falta de pistas de partículas \’pesadas\’ que la conformen, algunos científicos apuntan al axión, partícula más ligera que vendría a resolver además uno de los problemas del modelo estándar. Para detectarlo, una colaboración internacional entre los que se encuentran físicos españoles ha propuesto al CERN la construcción de Observatorio Internacional de Axiones (IAXO). Los comités del laboratorio europeo de física de partículas han reconocido los objetivos del proyecto, que ahora entra en su fase decisiva: el diseño del instrumento.

Los axiones aparecen en las llamadas extensiones del modelo estándar de física de partículas, la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones (como la tabla periódica describe los elementos químicos). El bosón de Higgs era la última partícula que faltaba por descubrir para completar este modelo. Su descubrimiento, sin embargo, no agota la física de partículas, más bien al contrario. Además de los grandes retos como la explicación de la materia y energía oscuras, o la inclusión de la gravedad, este modelo tiene otros problemas que se resuelven con lo que los físicos llaman \’extensiones\’.

El axión aparece en el llamado mecanismo de Peccei-Quinn, que constituye la solución más prometedora hasta la fecha de uno de los problemas del modelo estándar: por qué las interacciones fuertes (una de las cuatro fuerzas de la Naturaleza) parecen conservar la simetría carga-paridad, mientras que la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría estándar de las interacciones fuertes, implicaría lo contrario. Una consecuencia es la existencia de una nueva partícula, el axión, una partícula neutra y muy ligera (pero no sin masa), que no interacciona, o lo hace muy débilmente, con la materia convencional.

El axión se habría producido en grandes cantidades al principio del universo. En teoría, estos axiones seguirían existiendo hoy y podrían componer la materia oscura del universo, que supone un cuarto de todo el cosmos pero aún no ha sido detectada. Se puede considerar el axión 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. Recientemente, un grupo de físicos de la Universidad de Leicester (Reino Unido) 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 pues un potente imán. Este es el caso de los helioscopios, que buscan axiones producidos por el Sol. El helioscopio más potente es el Telescopio de Axiones Solares del CERN (CAST), que usa uno de los prototipos de los imanes superconductores del gran colisionador de hadrones (LHC).

\’Después de una década buscando axiones solares, CAST ha puesto los límites más estrictos al acoplo axión-fotón  en un amplio rango de masas, superando los límites astrofísicos por primera vez\’, asegura Igor García Irastorza, investigador de la Universidad de Zaragoza participante en CAST.

Sin embargo, \’para avanzar en la búsqueda del axión se requiere una infraestructura completamente nueva\’, remarca Irastorza. Así nace la propuesta del observatorio 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.

Ópticas como las de la 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. Científicos del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL, EE UU), la Universidad de Columbia y la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU-Space), responsables de la construcción de las ópticas del satélite NuSTAR, forman parte de la colaboración IAXO.

Esta colaboración internacional, formada por 90 científicos de 14 países, ha publicado el diseño conceptual del experimento y presentó el proyecto al comité de expertos del CERN que evalúa las propuestas para albergar experimentos en el laboratorio. Este comité ha reconocido los objetivos científicos del proyecto y recomendado la realización de la siguiente fase: la elaboración del informe de diseño técnico (el Technical Design Report o TDR). Estos son los primeros pasos hacia la realización del experimento de axiones más ambicioso hasta la fecha. Se prevé que el TDR esté listo en un plazo de tres años.

El grupo de la Universidad de Zaragoza que dirige Igor García Irastorza es el único español que participa en IAXO. Este grupo cuenta con una amplia trayectoria en CAST, con el apoyo del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN). El investigador español lidera ahora el proceso de puesta en marcha del observatorio como portavoz de la colaboración, además de investigador principal de una Starting Grant del ERC con la que se ha desarrollado uno de los pilares tecnológicos de IAXO. Como parte de su diseño técnico, la Universidad de Zaragoza albergará un prototipo de detector con especificaciones cercanas a los detectores finales de IAXO.