¿No se detecta materia oscura? Pues la creamos nosotros en un acelerador

Dos físicos alemanes proponen crear axiones, candidatos a materia oscura, acelerando núcleos atómicos a velocidades relativistas en colisionadores.

La materia oscura representa cinco veces más masa que toda la materia visible del universo. Nadie la ha detectado nunca de forma directa. Dos físicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, en Alemania, proponen fabricarla directamente en el laboratorio, a partir del vacío cuántico, acelerando núcleos atómicos a velocidades próximas a la de la luz.

La partícula que podría explicar la masa perdida del universo

El candidato que los investigadores tienen en mente se llama axión. Es una partícula hipotética propuesta en 1977 por Roberto Peccei y Helen Quinn para resolver un problema persistente en la física nuclear conocido como el problema CP fuerte. La fuerza nuclear fuerte viola determinadas simetrías en los cálculos teóricos, pero no lo hace en los experimentos, y nadie sabe explicar por qué ese parámetro se ajusta con tanta precisión a cero.

Peccei y Quinn postularon un campo nuevo que cancelaría esa asimetría de forma natural; como subproducto, ese campo generaría una partícula ligera, el axión. Si existe, sería además un candidato ideal para la materia oscura, dado que interactúa débilmente con la materia ordinaria, lo que explicaría por qué no se ha detectado todavía, y su masa encajaría con las estimaciones cosmológicas.

Crear partículas de la nada

El vacío cuántico no está vacío. La mecánica cuántica establece que incluso el estado de menor energía de un campo cuántico fluctúa de forma constante. Pares de partículas virtuales aparecen y desaparecen en intervalos brevísimos de tiempo. Cuando un objeto se acelera con suficiente intensidad, esas fluctuaciones se reorganizan desde su punto de vista. Lo que un observador estático ve como vacío, un observador acelerado lo percibe como un baño térmico de partículas reales, un fenómeno conocido como efecto Unruh.

Una manifestación relacionada, el efecto Casimir dinámico, predice que objetos acelerados pueden extraer pares de partículas reales de esas fluctuaciones. Stefan Evans y Ralf Schützhold aplican este mecanismo a los axiones. Según sus cálculos, núcleos atómicos acelerados a velocidades relativistas perturbarían el campo de axiones y producirían pares reales de esas partículas.

El papel especial de los núcleos atómicos

El argumento central del estudio descansa en una propiedad singular de la materia nuclear. Dentro de un núcleo atómico, los condensados de quarks (las configuraciones de campo que dan masa a los quarks ligeros) se reducen entre un 25 y un 50 % respecto a su valor en el vacío. Esa reducción modifica la masa efectiva del axión en el entorno nuclear.

El resultado es doble. Por un lado, se predice una fuerza de atracción tipo Casimir entre núcleos vecinos, incluso sin axiones reales presentes. Por otro lado, la probabilidad de crear pares de axiones aumenta cuando los núcleos se aceleran. Los resultados dependen solo de propiedades hadrónicas bien medidas, sin las constantes de acoplamiento inciertas que complican otras búsquedas de axiones. Evans y Schützhold calculan una sección eficaz (la probabilidad de interacción por unidad de área) de unos 40 microbarnios para el hierro con axiones de 10 MeV de masa.

Del cálculo al acelerador

Los investigadores proponen las colisiones ultraperiféricas de iones pesados como banco de prueba natural. En este tipo de experimentos, disponibles en aceleradores como el LHC del CERN o el RHIC de Brookhaven, los núcleos pasan muy próximos entre sí a velocidades relativistas sin llegar a tocarse. El campo cuántico de cada núcleo interactúa con el del otro sin que la violencia de una colisión directa enmascare la señal.

La detección de los axiones creados requeriría instrumentos con la sensibilidad de los detectores de xenón líquido que ya se usan en la búsqueda de materia oscura. El obstáculo principal es la incertidumbre sobre la masa real del axión. Si ese valor está fuera del rango adecuado, la señal sería demasiado débil para medirse con los equipos actuales.

Los experimentos de búsqueda directa de materia oscura llevan décadas sin éxito. La propuesta de Evans y Schützhold invierte la estrategia. En lugar de esperar a que la materia oscura llegue a los detectores, plantean fabricarla en el laboratorio a partir del vacío mismo. Con los parámetros adecuados de masa del axión, los aceleradores en funcionamiento hoy podrían producirla.

REFERENCIA

• Axion pair creation by accelerated nuclei — Evans & Schützhold, Physical Review D (2026)

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