Los cálculos muestran cómo las ‘cuerdas axiónicas’ teóricas podrían crear un comportamiento extraño si se produjeran en materiales exóticos en el laboratorio.
Una partícula hipotética que podría resolver uno de los mayores acertijos de la cosmología se ha vuelto un poco menos misteriosa. Un físico de RIKEN y dos colegas han revelado los fundamentos matemáticos que podrían explicar cómo los llamados axiones podrían generar entidades similares a cuerdas que crean un voltaje extraño en los materiales de laboratorio.
Los axiones fueron propuestos por primera vez en la década de 1970 por físicos que estudiaban la teoría de la cromodinámica cuántica, que describe cómo algunas partículas elementales se mantienen juntas dentro del núcleo atómico. El problema fue que esta teoría predijo algunas propiedades extrañas para partículas conocidas que no se observan. Para solucionar esto, los físicos postularon una nueva partícula, más tarde apodada axión, después de una marca de detergente para la ropa, porque ayudó a limpiar un desorden en la teoría.
Los físicos pronto se dieron cuenta de que los axiones también podían aclarar un enigma cósmico. Se cree que más del 80% de la materia del Universo está formada por una misteriosa sustancia invisible, denominada materia oscura. “Los axiones son candidatos para la materia oscura, pero aún no los hemos encontrado”, dice Yoshimasa Hidaka, del Programa Interdisciplinario de Ciencias Matemáticas y Teóricas RIKEN. Los axiones pueden tener las propiedades adecuadas, por lo que los físicos han estado buscando signos de su existencia en numerosos experimentos. En junio de 2020, el experimento XENON1T en el Laboratorio Gran Sasso en Italia informó indicios de que pudieron haber detectado el axión, pero ese resultado aún no se ha confirmado.
Pero hay otro campo donde se pueden estudiar las propiedades de los axiones. Los físicos pueden preparar materiales exóticos, llamados aislantes topológicos, en el laboratorio, que muestran propiedades extrañas, como conducir electricidad en sus superficies mientras permanecen aislantes eléctricos en su interior. Estos materiales muestran otro comportamiento extraño. A veces, sus electrones se agrupan y se mueven de tal manera que el material parece estar hecho de ‘cuasipartículas’ con propiedades inusuales. Esto puede crear un voltaje inesperado a través del material, llamado efecto Hall anómalo.
También se predice que el axión surgirá de esta manera, en aisladores topológicos, donde debería interactuar con partículas de luz, o fotones, de una manera diferente a las partículas regulares.
Hidaka y sus dos colegas han examinado ahora la teoría que rige la interacción entre axiones y fotones. Aunque los axiones son partículas en forma de puntos, el equipo calculó que dentro de los materiales, la luz en realidad interactúa con configuraciones extendidas en forma de hilo hechas de axiones, llamadas cuerdas axiónicas. Eso conduciría al efecto Hall anómalo, que se observa en los experimentos.
“Hemos encontrado la estructura matemática subyacente del fenómeno”, dice Hidaka.
Referencia: «Simetrías de forma superior y 3 grupos en electrodinámica de axiones» por Yoshimasa Hidaka, Muneto Nitta y Ryo Yokokura, 4 de agosto de 2020, Letras de física B.
DOI: 10.1016 / j.physletb.2020.135672