El modelo estándar de la física de partículas tiene una candidato firme para la materia oscura, el axión QCD. Aún no observado, un nuevo estudio estima su masa entre 50 μeV y 1,5 meV (recuerda que la masa de los neutrinos es inferior a 230 meV). Este resultado guiará las búsquedas experimentales del axión, que se basan en su interacción con los fotones o en su efecto sobre el espín del neutrón.
A baja temperatura la masa del axión es constante, sin embargo, a alta temperatura la QCD predice que su masa será proporcional a la raíz cuadrada de un parámetro termodinámico llamado susceptibilidad topológica. Este parámetro se puede calcular usando supercomputadores gracias a la llamada QCD en el retículo (Lattice QCD). El nuevo estudio ha tenido que alcanzar una temperatura de un petakelvin (3 GeV), mil veces más que en simulaciones previas. Por supuesto, futuros estudios independientes tendrán que validar el cálculo realizado (ya que se trata de un cálculo muy complicado en el que se han realizado ciertas hipótesis simplificadoras); el código del simulador en el lenguaje C está disponible en la web (código).
Quizás el axión sea la próxima partícula que se descubra. El artículo es S. Borsanyi, Z. Fodor, …, K. K. Szabo, “Calculation of the axion mass based on high-temperature lattice quantum chromodynamics,” Nature 539: 69–71 (03 Nov 2016), doi: 10.1038/nature20115, arXiv:1606.07494 [hep-lat]. Más información divulgativa en Maria Paola Lombardo, “Particle physics: Axions exposed,” Nature 539: 40–41 (03 Nov 2016), doi: 10.1038/539040a.
La cromodinámica cuántica (QCD) describe la interacción fuerte entre los quarks de los núcleos de los átomos mediada por ocho gluones. Según los experimentos esta teoría es invariante bajo inversión temporal (simetría T), o lo que es equivalente a la simetría CP (simetrías de conjugación de carga y paridad); a diferencia de la teoría electrodébil que viola estas simetrías. No hay ningún razón fundamental para esta diferencia, de hecho, la QCD contiene un término que viola estas simetrías (el llamado problema CP fuerte). Los experimentos exigen que este término sea nulo y un ajuste fino que no gusta a los físicos.
La solución más sencilla al problema CP fuerte de la QCD dentro del modelo estándar la ofrece el mecanismo de Peccei–Quinn, que introduce un nuevo campo cuántico de tipo pseudoescalar con simetría U(1) llamado A, que conlleva una nueva partícula llamada axión. El mecanismo consiste en una rotura espontánea de la simetría, similar al mecanismo de Higgs, pero que conduce a un bosón de Goldstone (el axión). Tras este proceso el término de la QCD que viola la simetría CP (o T) se anula y como resultado la masa del axión adquiere un valor constante. Como el campo del axión tiene simetría U(1) se acopla al fotón (lo que facilita su búsqueda experimental).
El axión es un bosón pseudoescalar (el bosón de Higgs es escalar) de muy baja masa (el Higgs tiene una masa enorme de unos 125 GeV) . Para calcular la masa del axión hay que estudiar la QCD a muy alta temperatura (hasta varios gigaelectrónvoltio). A dichas temperaturas hay que tener en cuenta los efectos de todos los quarks (salvo el quark top), lo que complica en extremo las simulaciones por ordenador usando QCD en el retículo. La propiedad física clave que se ha de determinar se llama susceptibilidad topológica χ(T), que depende de la temperatura. Su valor es constante a baja temperatura, por debajo de 0,1 GeV, donde la masa del axión es constante. Sin embargo, a alta temperatura, por encima de 0,2 GeV, su valor decrece exponencialmente (como ilustra la figura de arriba, que usa una escala logarítmica para que la variación sea lineal).
La masa del axión se vuelve constante tras la transición de fase QCD. Durante el primer microsegundo tras el big bang el universo está formado por un plasma de quarks y gluones; en ese momento, cuando el universo tiene una temperatura de unos 100 MeV (0,1 GeV) se forman los protones y los neutrones (hadronización). Para estudiar esta transición de fase con QCD en el retículo se suelen usar los quarks más ligeros (LQCD con 2+1 sabores, es decir, u, d y s). Para calcular la masa del axión hay que estudiar el plasma de quarks y gluones a temperaturas más altas (al menos hasta 2 GeV), por ello hay que usar los cuatro quarks de menor masa (LQCD con 2+1+1 sabores, es decir, u, d, s y c); el nuevo estudio también incorpora los efectos del quark bottom, aunque de forma aproximada, ya que su una masa es de unos 4 GeV, luego es poco relevante en estas simulaciones.
La gran dificultad de estas simulaciones mediante superordenadores es que el costo de las simulaciones escala con T8 (la octava potencia de la temperatura); es decir, subir un factor de diez en la temperatura requiere un coste cien millones de veces mayor.
Por ello hasta ahora no se había logrado estimar la evolución con la temperatura de la susceptibilidad topológica χ(T). A baja temperatura se ha obtenido un valor de χ(T = 0) = 0,0245 ± 0,0024 ± 0,0012 fm−4 (cuando se tiene en cuenta la rotura de la simetría quiral el valor decrece hasta χ(T = 0) = 0,0216 ± 0,0021 ± 0,0011 fm−4 = (75,6 ± 1,8 ± 0,9 MeV)4).
Como muestra esta figura el nuevo resultado es mucho más preciso que resultados anteriores, aunque aún no se puede considerar definitivo y tendrá que ser confirmado en los próximos años.
En resumen, un trabajo de física computacional muy interesante que nos permite acotar el rango de masas en el que buscar el axión.
Por supuesto, algunos experimentos ADMX lo seguirán buscando fuera de dicho rango de masas. Lo bueno de la nueva estimación de masa es que, si es acertada, se podrán encontrar el axión, si existe, en menos de una década.
Quizás el problema de la materia oscura tenga solución ante de lo que los pesimistas opinan.
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