El descubrimiento de axiones podría ayudar a responder una de las preguntas más desconcertantes de la física

Uno de los misterios más publicitados de la física hoy en día es lo que los científicos llaman el “problema CP fuerte”. Partiendo del desconcertante fenómeno de que los neutrones no interactúan con los campos eléctricos a pesar de estar formados por quarks (partículas fundamentales más pequeñas que transportan cargas eléctricas), el problema Strong CP desafía el modelo estándar de la física, o el conjunto de teorías que los científicos han estado usando para explicar las leyes de la naturaleza durante años.

Un equipo liderado por físicos teóricos de la Universidad de Minnesota Twin Cities ha descubierto una nueva forma de buscar axiones, partículas hipotéticas que podrían ayudar a resolver este misterio. Trabajando en colaboración con investigadores experimentales en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermilab, la nueva estrategia de los físicos abre oportunidades previamente inexploradas para detectar axiones en experimentos con colisionadores de partículas.

El artículo de los investigadores se publica y se presenta como sugerencia del editor en Cartas de exploración física.

“Como físicos de partículas, estamos tratando de desarrollar una mejor comprensión de la naturaleza”, dijo Zhen Liu, coautor del artículo y profesor asistente en la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Minnesota. “Los científicos han tenido un tremendo éxito durante el último siglo en la búsqueda de partículas elementales a través de marcos teóricos establecidos. Por lo tanto, es extremadamente confuso entender por qué los neutrones no se acoplan a los campos eléctricos, porque en nuestra teoría conocida, esperaríamos que lo hicieran. Si descubrimos el axión, será un gran avance en nuestra comprensión fundamental de la estructura de la naturaleza”.

Una de las principales formas de estudiar las partículas subatómicas y, potencialmente, de descubrir otras nuevas, es a través de experimentos con colisionadores. Esencialmente, los científicos obligan a los haces de partículas a colisionar, y cuando chocan, la energía que producen crea otras partículas que pasan a través de un detector, lo que permite a los investigadores analizar sus propiedades.

El método propuesto por Liu y su equipo consiste en medir el producto de “desintegración”, o lo que sucede cuando una partícula pesada inestable se rompe en varias partículas más ligeras, del hipotético axión en dos muones, partículas conocidas que son esencialmente la versión más pesada del electrón. Al trabajar hacia atrás a partir de las huellas de muones en el detector para reconstruir tales desintegraciones, los investigadores creen que tienen la posibilidad de localizar el axión y probar su existencia.

“A través de esta investigación, estamos ampliando los medios para buscar la partícula axión”, dijo Raymond Co, coautor del artículo e investigador postdoctoral en la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Minnesota y en el Instituto de Física Teórica William Fine. “La gente nunca antes había utilizado la descomposición de los axiones en muones como una forma de buscar la partícula de axión en experimentos con neutrinos o colisionadores. Esta investigación abre nuevas posibilidades para allanar el camino para futuros esfuerzos en nuestro dominio”.

Liu and Co, junto con Kun-Feng Lyu, investigador postdoctoral en física y astronomía en la Universidad de Minnesota, y Soubhik Kumar, investigador postdoctoral en la Universidad de California en Berkeley, son los responsables de la parte teórica de la investigación. Son parte de la colaboración ArgoNeuT, que reúne a teóricos y experimentadores de todo el país para estudiar partículas a través de experimentos en Fermilab.

En este artículo, el equipo teórico dirigido por la Universidad de Minnesota trabajó con los investigadores experimentales para realizar una búsqueda de axiones utilizando su nuevo método y los datos existentes del experimento ArgoNeuT. Los investigadores planean usar los resultados experimentales para refinar sus cálculos teóricos de la tasa de producción de axiones en el futuro.