No encontraron axiones — pero por primera vez casi escucharon su susurro entre el ruido del universo

Un grupo internacional de físicos amplió significativamente los límites en la búsqueda de partículas hipotéticas llamadas axiones — unos de los candidatos más prometedores a constituir la materia oscura. En el marco del experimento HAYSTAC (Haloscope at Yale Sensitive to Axion Cold Dark Matter), científicos de la Universidad de Yale, Berkeley y la Universidad Johns Hopkins realizaron hasta ahora el estudio más ambicioso, aplicando compresión cuántica para aumentar la sensibilidad de los instrumentos de medición.

Las primeras hipótesis sobre la existencia de los axiones surgieron a finales de la década de 1970, cuando los teóricos Frank Wilczek y Steven Weinberg buscaban una explicación para la simetría temporal en las interacciones nucleares fuertes. Más tarde, estas partículas subatómicas captaron la atención de los cosmólogos como una posible explicación del origen de la materia oscura —una sustancia enigmática que casi no interactúa con la radiación electromagnética, pero que supuestamente constituye la mayor parte de la masa del universo. Según cálculos teóricos, la interacción de los axiones con la materia ordinaria es tan débil que su detección requiere la creación de instalaciones experimentales de sensibilidad extrema.

Reina Maruyama, una de las autoras del estudio, destaca el papel fundamental del físico Pierre Sikivie en el desarrollo de la teoría de los axiones. Él fue el primero en reconocer el potencial de estas partículas como componente de la materia oscura y propuso un método para detectarlas. Casi al mismo tiempo, otros tres grupos de investigación independientes llegaron a conclusiones similares: el equipo dirigido por Sikivie y Lou Abbott, el grupo de Michael Dine y Willy Fischler, y la colaboración entre John Preskill, Mark Wise y Frank Wilczek.

Steve Lamoreaux, coautor del estudio y veterano en el análisis de la simetría CP en las interacciones fuertes, explica la dificultad de buscar axiones desde el punto de vista de la física teórica. En las ecuaciones existe un parámetro numérico theta que determina el nivel de asimetría bajo inversión temporal. Teóricamente, puede adoptar casi cualquier valor, pero los datos experimentales sobre el momento dipolar eléctrico del neutrón indican una cantidad extremadamente baja —menos de 10^(-10). El problema es que se observa asimetría temporal en la desintegración de mesones "exóticos", lo cual genera una contradicción en la física de partículas. La teoría de los axiones ofrece una solución elegante a este enigma.

Sikivie no solo fundamentó el papel de los axiones en la teoría, sino que también desarrolló el concepto del detector "haloscopio", un dispositivo para buscar partículas de materia oscura en el halo galáctico. El aparato utiliza un resonador de microondas colocado dentro de un campo magnético extremadamente fuerte. En estas condiciones, los axiones deberían convertirse en fotones del rango de radiofrecuencia o microondas, lo que permitiría detectar su presencia a pesar de la debilidad extrema del señal.

Karl van Bibber, director del proyecto, narra los orígenes del experimento HAYSTAC. Hace quince años, cuando los experimentos clásicos con resonadores de microondas en frecuencias de gigahercios mostraban progresos constantes, la comunidad científica requería un enfoque radicalmente nuevo para estudiar partículas de mayor masa. HAYSTAC fue concebido como una plataforma experimental compacta para desarrollar amplificadores y resonadores innovadores capaces de funcionar en frecuencias ultraaltas.

El aumento de la frecuencia operativa planteó serios desafíos técnicos para los físicos. Elevar la frecuencia inevitablemente reduce el volumen de la cavidad de conversión y, en consecuencia, disminuye la densidad de axiones por unidad de volumen en una masa de halo dada. Para superar estas limitaciones fundamentales, el equipo de HAYSTAC implementó tecnologías avanzadas de medición cuántica.

En la segunda etapa del experimento, los científicos adoptaron el método de compresión cuántica para suprimir el ruido cuántico —fluctuaciones aleatorias que impiden mediciones precisas. HAYSTAC se convirtió en el segundo proyecto mundial, después de Advanced LIGO, en utilizar esta tecnología para aumentar la sensibilidad de los equipos. Además, los investigadores modernizaron la instalación integrando refrigeradores de dilución no criogénicos externos, lo que permitió reducir considerablemente los costos operativos.

Aunque aún no se han obtenido pruebas directas de la existencia de axiones, el grupo científico logró expandir significativamente el espacio paramétrico investigado. Los físicos planean seguir perfeccionando el equipo de HAYSTAC y desarrollar otros métodos de búsqueda de materia oscura usando haloscopios en los laboratorios de la Universidad de Yale.

Danielle Speller, coautora del estudio, habló sobre las líneas de investigación más prometedoras del equipo. Entre ellas se encuentra el proyecto ALPHA, diseñado para buscar axiones de masa considerablemente mayor utilizando un haloscopio de plasma que actualmente se está montando en Yale. Paralelamente se desarrolla la tecnología CEASEFIRE, que emplea el entrelazamiento cuántico de dos resonadores para acelerar diez veces la búsqueda de partículas. También se está prestando especial atención al desarrollo de detectores de fotones individuales basados en átomos de Rydberg y a la creación de resonadores con metamateriales superconductores capaces de funcionar a frecuencias superiores a los 10 gigahercios.