24/11/2016

INVESTIGACIÓN Y TRANSFERENCIA

INVESTIGACIÓN

Nuevos avances en el estudio de la materia oscura

Logran calcular la masa del axión en función de la temperatura con un nivel de precisión sin precedentes, que pocos meses antes se creía imposible

El axión es una partícula hipotética cuya existencia explicaría la inesperada ausencia de violación CP en las interacciones fuertes (e.g. el nulo momento dipolar eléctrico del neutrón) y podría formar toda la materia oscura del universo

El físico teórico Javier Redondo, investigador de la Universidad de Zaragoza y en el Instituto de Física Max Planck en Múnich, ha colaborado en esta investigación que publica Nature
(Zaragoza, martes, 22 de noviembre de 2016). Uno de los desafíos prioritarios de la Física de Partículas para este siglo es identificar la denominada materia oscura del Universo. Javier Redondo, investigador de la Universidad de Zaragoza y en el Instituto de Física Max Planck en Múnich, Alemania, ha participado en una investigación internacional sobre el axión, que permite avanzar e iluminar un poco más el conocimiento sobre la materia oscura, tal como recoge ahora la prestigiosa revista Nature.
 
En concreto, y gracias a un gran esfuerzo computacional y los novedosos métodos propuestos, han logrado realizar calcular los ingredientes necesarios para estimar la masa del axion, con un nivel de precisión sin precedentes, que pocos meses antes se creía imposible. Cálculos anteriores daban resultados contradictorios y tenían que ser extrapolados a alta temperatura, lo cual no era nada fiable.
 
“Ahora, sin embargo, hemos reducido notablemente la incertidumbre en el cálculo de la masa del axión. Aunque aún quedan otras incertidumbres, en los próximos años podremos predecir la masa del axión y tendremos experimentos a punto para detectarlo, si es que realmente existe”, explica el joven investigador perteneciente al Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Zaragoza.  
 
En esta investigación se han desarrollado nuevos métodos para usar algunos de los supercomputadores más potentes al servicio de la ciencia (JUQUEEN, SuperMUC, Hazel Hen, QPACE, en Jülich, München, Stuttgart and Wuppertal) en el cálculo de la masa del axión en función de la temperatura y la ecuación de estado del plasma primordial (que determina la expansión del universo).
 
El axión como partícula resulta ser más ligero e interactúa más débilmente que cualquier tipo de materia conocida y además es prácticamente estable. Esto le confiere las características perfectas para ser candidato a la materia oscura del Universo. Por si fuera poco, poco después de haber sido propuesto, varios científicos descubrieron que se produciría en cantidades apreciables durante el Big Bang. El cocktail estaba servido y sólo había que encontrar manera de detectarlo.
 
La detección del axión no es tarea fácil, debido a la extrema debilidad de sus interacciones. Diversos experimentos lo han buscado en las últimas tres décadas sin éxito, pero sus posibilidades eran pequeñas. En los últimos cinco años hemos vivido un resurgimiento del interés sobre el axión y nuevos grupos de físicos experimentales han propuesto nuevas técnicas y se han puesto a ello. Incluso en Corea, se ha creado un instituto IBS exclusivamente para realizar este tipo de experimentos.
 
La técnica más prometedora para detectar axiones de materia oscura es usar el hecho de que se convierten en ondas electromagnéticas quasi monocromáticas en presencia de un campo magnético intenso. Las tenues ondas que resultan se pueden amplificar en cavidades resonantes, pero para ello se requiere conocer la frecuencia, que es proporcional a la masa del axión. “Es aquí donde nuestro trabajo tiene especial relevancia. En principio no conocemos la masa del axion, pero resulta que la densidad de materia oscura producida en el big bang depende de la masa… y conocemos con mucha exactitud la densidad promedio de materia oscura del universo. Si asumimos que la mayor parte de la materia oscura son axiones, podemos invertir la relación y obtener su masa… y con su masa podemos diseñar un experimento que la encuentre en días”, destaca Javier Redondo. 
 
El cómputo de la cantidad de materia oscura axiónica producida en función de la masa es extremadamente complejo. Y es complejo porque la masa del axión es un efecto de la cromodinámica cuántica (CC). Peor aún, la masa del axión cambia con la temperatura y la que nos interesa, la que cuenta cuando el axion deviene materia oscura, es de alrededor de 10^13 Kelvin… un poco por encima de la temperatura crítica en que la cromodinámica cuántica (CC) sufre una transición de fase que todavía estamos comprendiendo.
 
A estas temperaturas, no se conoce ningún método analítico para calcular en CC y debemos recurrir a costosísimas simulaciones numéricas y un avezado ingenio, ingredientes que han posibilitado este gran paso adelante para determinar la naturaleza de la materia oscura del universo.
 
Se adjunta imagen. Fuente https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_energy

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