NeoFronteras

Uniones Josephson y axiones

Área: Física — sábado, 7 de diciembre de 2013

Un estudio sugiere que podrían detectarse axiones gracias a uniones Josephson y que incluso puede que se hayan detectado ya.

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Como ya saben los lectores de NeoFronteras, uno de los grandes misterios de la ciencia actual es la naturaleza de la materia oscura. Se sabe que hay una materia que ni absorbe ni refleja la luz, pero que constituye la mayor parte de la masa del Universo. Gracias a medidas indirectas sobre la rotación galáctica o sobre lentes gravitatorias en cúmulos se sabe que está ahí, pero no sabemos en qué consiste.
Una posibilidad es que esté hecha de partículas débilmente interactuantes o WIMPs. Sin embargo, otra posibilidad es que esté hecha de axiones. Los axiones serían más ligeros y fríos que las WIMPs. El axión es una partícula hipotética introducida en 1977 por Roberto Peccei y Helen Quinn para explicar la conservación en la simetría CP en cromodinámica cuántica. Sería una partícula sin carga y de masa pequeña.
El nombre fue introducido por Frank Wilczek cuando buscaba un nombre para la partícula mientras lavaba la ropa, entonces se fijó en la marca del detergente que estaba usando: Axion.
Experimentos como el Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) han intentado buscar estar partícula sin éxito hasta el momento.
Se cree que un axión puede transformarse en un fotón y viceversa de manera espontánea, lo que permitiría explicar por qué los fotones de alta energía no son absorbidos por el fondo cósmico de microondas.
Quizás incluso los axiones se hayan detectado ya y no seamos conscientes de ello. Al menos eso es lo que dice Christian Beck (University of Cambridge) en un artículo reciente. Este físico sugiere que si los axiones existen, entonces deben ser detectados en dispositivos basados en uniones Josephson superconductoras de una manera sencilla.
Cuando un axión decae y se transforma en un fotón para volver a ser una axión debe liberarse una pequeña cantidad de energía. Si esto pasa justo en la unión Josephson el fenómeno puede registrase. Como además hay, en teoría, muchos axiones, entonces es probable que algo así se dé en un dispositivo concebido al efecto.
Una unión de este tipo consiste en crear una juntura de dos superconductores separados por otro tipo de material. Se establece entonces un efecto túnel superconductor de tal modo que el conjunto se comparta como si fuera un nuevo superconductor. Los pares de Cooper, que son electrones unidos por una fonón (una vibración de en la red cristalina), pasan a través de la unión sin experimentar resistencia igual que si fuese en un superconductor al uso. La ventaja de estas uniones es que son muy sensibles a los campos magnéticos, incluido el asociado a un fotón. Beck sugiere que cuando un axión impacta la unión Josephson se produce un par de Cooper extra que fluyen a través de la unión produciendo un exceso de corriente.
Otro equipo de investigadores dirigido por Francois Lefloch registró en 2004 una señal con uno de estos dispositivos que no sabían explicar. Beck sugiere que ese evento podía haberse debido precisamente a un axión. A partir de esa señal ha calculado que el axión podría tener una masa de 0,11 meV, que es una mil millonésima de la masa del electrón. Esto equivaldría a una densidad local galáctica de axiones de 0.05 GeV/cm3.
Este investigador sugiere que se realice de nuevo este experimento para así reproducir el evento. Para ello habría que optimizar una o unas uniones Josephson y así maximizar el registro de axiones.
No hace falta decir que un único evento no es significativo y que es todavía pronto para saber si el problema de la materia oscura está resuelto. El registro de 2004 podría deberse a cualquier tipo de fluctuación o a algún error sistemático, como el mismo Lefloch admite.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Copia del artículo original.
Foto: HEFTI, UCDAVIS.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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4 Comentarios

  1. Dr. Thriller:

    Cuando vi el cartel del detergente tardé un buen ratito en entender todo el asunto xD. No sé si es un chiste, pero la propaganda del paquete por un momento me hizo relacionarlo con el tema xD.

  2. NeoFronteras:

    La foto está relacionada con el tema, tal y como se explica en el texto. Obviamente puede tener segundas lecturas.

  3. lluís:

    Que uno sepa la simetría CP no se conserva, como lo demostró el experimento de Fitch-Cronin, realizado con mesones “ca” neutros, y es precisamente esa no conservación de la simetría CP la que sugiere que una partícula y su antipartícula no se comporten exáctamente igual, y de ahí surge la pregunta de por qué el Universo,por lo que se sabe, tiene mucha más materia que antimateria(apenas hay antimateria)cuando según la teoría del Big-Bang materia y antimateria se generaron en la misma cantidad.Se ha sugerido que acaso algunas partículas primitivas se desintegraron de manera distinta a sus correspondientes antipartículas lo que pudo favorecer, finalmente, un pequeño excedente de materia que condujo, con los eones,al universo con las estructuras que podemos ver.
    Si resulta que al final el axión es una realidad, no sólo podríamos saber de que está hecha la “materia oscura”, sino porqué el Universo es como es o incluso por qué tenemos un Universo,ya que si la CP fuera una simetría perfecta, el universo o sería muy distinto o incluso nosotros no estaríamos aquí (vamos, ni nosotros, ni las galaxias ni los planetas).

  4. NeoFronteras:

    Lo más probable es que los axiones no existan. Es fácil obtener resultados teóricos. Lo difícil es que la Naturaleza coincida con ellos.
    Otra cosa sería si experimentalmente se detectasen. Algo que obviamente hay que intentar, sobre todo porque en este caso es barato.

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