Los científicos finalmente han encontrado rastros del axión, una partícula esquiva que rara vez interactúa con la materia normal. El axión se predijo por primera vez hace más de 40 años, pero nunca se había visto hasta ahora.
Los científicos han sugerido que la materia oscura, la materia invisible que impregna nuestro universo, puede estar hecha de axiones. Pero en lugar de encontrar un axión de materia oscura en las profundidades del espacio exterior, los investigadores han descubierto firmas matemáticas de un axión en un material exótico aquí en la Tierra.
El axión recién descubierto no es exactamente una partícula como lo pensamos normalmente: actúa como una onda de electrones en un material sobreenfriado conocido como semimetal. Pero el descubrimiento podría ser el primer paso para abordar uno de los principales problemas no resueltos en la física de partículas.
El axión es un candidato para la materia oscura, ya que, al igual que la materia oscura, realmente no puede interactuar con la materia normal. Esta distancia también hace que el axión, si existe, sea extremadamente difícil de detectar. Esta extraña partícula también podría ayudar a resolver un enigma de larga data en física conocido como "el fuerte problema de CP". Por alguna razón, las leyes de la física parecen actuar de la misma manera en las partículas y sus compañeros de antimateria, incluso cuando sus coordenadas espaciales están invertidas. Este fenómeno se conoce como simetría de paridad de carga, pero la teoría física existente dice que no hay razón para que esta simetría tenga que existe. La simetría inesperada puede explicarse por la existencia de un campo especial; detectar un axión probaría que este campo existe, resolviendo este misterio.
Debido a que los científicos creen que la partícula fantasmal y neutra apenas interactúa con la materia ordinaria, han asumido que sería difícil de detectar utilizando los telescopios espaciales existentes. Entonces, los investigadores decidieron probar algo más en la Tierra, utilizando un material extraño conocido como materia condensada.
Los experimentos de materia condensada como el que realizaron los investigadores se han utilizado para "encontrar" partículas evasivas predichas en varios casos conocidos, incluido el del fermión majorana. Las partículas no se detectan en el sentido habitual, sino que se encuentran como vibraciones colectivas en materiales que se comportan y responden exactamente como lo haría la partícula.
"El problema con mirar el espacio exterior es que no se puede controlar muy bien su entorno experimental", dijo el coautor del estudio Johannes Gooth, físico del Instituto Max Planck de Física Química de los Sólidos en Alemania. "Esperas que suceda un evento y tratas de detectarlo. Creo que una de las cosas hermosas de convertir estos conceptos de física de alta energía en materia condensada es que realmente puedes hacer mucho más".
El equipo de investigación trabajó con un semimetal Weyl, un material especial y extraño en el que los electrones se comportan como si no tuvieran masa, no interactúan entre sí y se dividen en dos tipos: diestros y zurdos. La propiedad de ser diestro o zurdo se llama quiralidad; La quiralidad en los semimetales de Weyl se conserva, lo que significa que hay un número igual de electrones diestros y zurdos. Enfriar el semimetal a 12 grados Fahrenheit (menos 11 grados Celsius) permitió que los electrones interactuaran y se condensaran en un cristal propio.
Las ondas de vibraciones que viajan a través de los cristales se llaman fonones. Dado que las extrañas leyes de la mecánica cuántica dictan que las partículas también pueden comportarse como ondas, hay ciertos fonones que tienen las mismas propiedades que las partículas cuánticas comunes, como los electrones y los fotones. Gooth y sus colegas observaron fonones en el cristal de electrones que respondían a los campos eléctricos y magnéticos exactamente como se predice a los axiones. Estas cuasipartículas tampoco tenían el mismo número de partículas diestras y zurdas. (Los físicos también predijeron que los axiones romperían la conservación de la quiralidad).
"Es alentador que estas ecuaciones sean tan naturales y convincentes que se realicen en la naturaleza en al menos una circunstancia", dijo el físico teórico del MIT y premio Nobel Frank Wilczek, quien originalmente nombró al axión en 1977. "Si sabemos que hay algunos materiales que albergan axiones, bueno, tal vez el material que llamamos espacio también alberga axiones ". Wilczek, que no participó en el estudio actual, también sugirió que un material como Weyl semimetal podría algún día ser usado como una especie de "antena" para detectar axiones fundamentales, o axiones que existen por derecho propio como partículas en el universo, en lugar de como vibraciones colectivas.
Si bien la búsqueda del axión como una partícula independiente y solitaria continuará, los experimentos como este ayudan a los experimentos de detección más tradicionales al proporcionar límites y estimaciones de las propiedades de la partícula, como la masa. Esto le da a otros experimentadores una mejor idea de dónde buscar estas partículas. También demuestra robustamente que la existencia de la partícula es posible.
"Una teoría primero es un concepto matemático", dijo Gooth. "Y la belleza de estos experimentos de física de materia condensada es que podemos demostrar que este tipo de matemáticas existe en la naturaleza".
