El universo está lleno de preguntas sin respuesta. Una de las más desconcertantes es la naturaleza de la materia oscura, una forma de materia invisible que, aunque no emite luz ni interactúa directamente con la materia ordinaria, constituye alrededor del 85 % de toda la masa del universo. Detectarla de manera directa ha sido un desafío durante décadas, pero un reciente avance tecnológico podría abrir un camino prometedor. Incluso su existencia se ha llegado a poner en duda.
Un equipo de investigadores europeos, agrupados en la colaboración QUAX (QUaerere AXion), ha desarrollado un instrumento experimental extremadamente sensible: un haloscopio cuántico. Su propósito es detectar partículas hipotéticas llamadas axiones, que no solo podrían ser las responsables de la materia oscura, sino que también explicarían un problema fundamental de la física nuclear. En un artículo publicado en Physical Review Letters, el equipo detalla cómo han conseguido explorar una nueva región del espacio de masas de estas partículas usando tecnología de vanguardia.
Un candidato a resolver dos grandes enigmas
Los axiones fueron propuestos inicialmente como una solución teórica al problema CP fuerte de la cromodinámica cuántica (QCD), es decir, la aparente simetría entre materia y antimateria en las interacciones nucleares. Pero pronto se revelaron como posibles candidatos a materia oscura, debido a su baja masa, su estabilidad y su capacidad de interactuar muy débilmente con otras partículas.
Sin embargo, uno de los grandes obstáculos ha sido su detección. Estas partículas, si existen, podrían estar presentes por todas partes, pero pasar desapercibidas. Para poder localizarlas, los científicos han diseñado haloscopios: dispositivos que intentan transformar axiones en fotones (partículas de luz) mediante campos magnéticos intensos. Esta conversión se produciría solo en condiciones extremadamente específicas, cuando la energía del axión coincide con la frecuencia de resonancia de una cavidad metálica.
Según el artículo: “La conversión de axiones de materia oscura en fotones se ve realzada de manera resonante por el factor de calidad de la cavidad”, lo que permite una mayor sensibilidad en la detección.
El diseño del haloscopio más sensible en su rango
El experimento de QUAX se distingue por haber explorado una región del espacio de masas de axiones superior a los 40 microelectronvoltios (μeV), una franja donde hasta ahora las técnicas tradicionales perdían sensibilidad. Para lograrlo, los investigadores desarrollaron un nuevo tipo de cavidad resonante fabricada en cobre y cargada dieléctricamente con un cilindro de zafiro, diseñada para funcionar a frecuencias de unos 10,2 GHz.
Esta cavidad se encuentra en el interior de un refrigerador de dilución que la mantiene a temperaturas cercanas a los 100 milikelvin, es decir, muy por debajo del punto de congelación del helio, y se encuentra inmersa en un campo magnético de 8 teslas. Además, la cadena de detección utiliza amplificadores cuánticos que reducen el ruido térmico a niveles mínimos. Según los autores, “la temperatura de ruido más baja observada fue de aproximadamente 1,1 K, correspondiente a 2,3 fotones”.
El sistema permite modificar ligeramente la apertura de la cavidad, cambiando así su frecuencia y, con ella, la masa del axión que podría detectarse. Esto se hace mediante un mecanismo en forma de pinza, controlado desde el exterior por un motor a temperatura ambiente.
Una búsqueda cuidadosa y automatizada
El estudio se realizó en dos campañas experimentales en 2024, con un tiempo total de adquisición de datos de 225 horas. Durante estas sesiones, el equipo registró señales en una ventana de 38 MHz de ancho, correspondiente a masas de axiones cercanas a 42 μeV, que es una región especialmente interesante según las simulaciones cosmológicas más recientes.
El análisis de datos se basó en técnicas estadísticas rigurosas. Para eliminar interferencias electrónicas, se aplicaron filtros y algoritmos de corrección. Cada espectro se comparó con una línea base generada por un filtro de Savitzky-Golay, y se buscó cualquier exceso de potencia que pudiera indicar la presencia de fotones generados por axiones.
Los investigadores detallan que “se han generado 10.000 espectros aleatorios para cada frecuencia hipotética del axión”, lo que permitió definir umbrales de detección con una tasa de falsas alarmas menor a una por mes. A pesar de no haberse detectado señales concluyentes, el experimento logró excluir modelos teóricos específicos de axiones en ciertos rangos de masa y acoplamiento, lo que representa una valiosa contribución.
Qué significa no encontrar nada… por ahora
El resultado negativo puede parecer decepcionante, pero en realidad es un avance importante. La ausencia de señales en el rango explorado permite descartar ciertas variantes del modelo KSVZ, uno de los marcos teóricos más aceptados para los axiones. En concreto, el artículo afirma que “los modelos hadrónicos de axiones con cociente de anomalía E/N = 44/3 y 29/3 son excluidos en un intervalo de masa de 153 neV y 136 neV respectivamente”.
Además, los investigadores han demostrado que su tecnología es viable para llevar a cabo búsquedas en rangos de frecuencia que hasta ahora eran inaccesibles. Esto abre la puerta a experimentos más largos y automatizados, con mejor cobertura de masas y mayor sensibilidad. La colaboración planea usar imanes más potentes, sistemas de refrigeración optimizados y ampliar el rango de exploración hasta los 11 GHz.
El trabajo también demuestra que es posible mantener la estabilidad térmica y electrónica durante horas, un requisito indispensable para detectar señales extremadamente débiles. Esta robustez es clave para futuros experimentos que deban operar sin intervención humana constante.
Implicaciones futuras y horizonte experimental
Más allá de los resultados específicos, el haloscopio cuántico desarrollado por QUAX representa una plataforma tecnológica avanzada con potencial para futuras aplicaciones. Su capacidad de operar a frecuencias elevadas con sensibilidad cuántica lo convierte en una herramienta adaptable para otras búsquedas de materia oscura o incluso para detectar fenómenos físicos aún no previstos.
La comunidad científica sigue considerando los axiones como una opción muy sólida para explicar la materia oscura, especialmente en escenarios postinflacionarios. Los avances en la tecnología de detección, como los que presenta este estudio, acercan cada vez más la posibilidad de una observación directa.
Los próximos años serán decisivos. A medida que se perfeccionen los dispositivos y aumenten las horas de adquisición de datos, se podrá cubrir una mayor fracción del espacio de parámetros teóricos. Cada vacío confirmado reduce las opciones posibles, estrechando el cerco sobre una de las preguntas más profundas de la ciencia: ¿qué es realmente el universo invisible que nos rodea?
Referencias
- G. Sardo Infirri et al. Search for Postinflationary QCD Axions with a Quantum-Limited Tunable Microwave Receiver, Physical Review Letters 135, 211002 (2025). DOI: 10.1103/4dv9-72t5.
Cortesía de Muy Interesante
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