Quizás a algunos lectores les habrá sorprendido el título de este artículo: ¿La carga del neutrón? ¿Desde cuando el neutrón tiene carga? La carga eléctrica total del neutrón es nula por supuesto, sin embargo, el neutrón está compuesto por 3 partículas más fundamentales: los quarks. El neutrón se compone de 2 quarks "down" que tienen carga -1/3 y un quark "up" con carga +2/3, por eso la carga eléctrica total del neutrón es nula. A pesar de ello la distribución de la carga dentro del neutrón no es uniforme ni simétrica por lo que el neutrón debería formar un dipolo eléctrico (similar a lo que
sucede en una molécula de agua) y por tanto debería poseer un momento dipolar eléctrico (EDM).
El hecho de que la carga dentro del neutrón no sea uniforme tendría otra consecuencia: el neutrón parecería diferente si lo observamos a través de un espejo (simetría especular o P) o si lo observamos hacia atrás en el tiempo (simetría temporal o T). Por esto se dice que el EDM del neutrón violaría la simetría P y la simetría T. En mecánica cuántica todos los sistemas deben conservar la simetría CPT (carga,paridad,tiempo) por tanto, si el neutrón tuviese un EDM se violaría también la simetría CP. Esto queda más claro en la siguiente figura:
El neutrón debería comportarse como un dipolo, esto produciría que al observarlo en un espejo (simetría P) las cargas estarían invertidas mientras que si lo observamos hacia atrás en el tiempo (simetría T) el momento estaría invertido.
El EDM del neutrón predicho por la QCD
La QCD (cromodinámica cuántica) estudia la física de los sistemas cuánticos sometidos a la fuerza nuclear fuerte (la fuerza que mantiene unidos a los quarks dentro del núcleo atómico). El interior del neutrón es en realidad un sistema muy complejo: existen quarks, gluones (que transmiten la fuerza fuerte), pares quark-antiquark virtuales, etc. La QCD ha logrado enormes éxitos en la predicción del comportamiento del núcleo atómico, por ello, los físicos confían plenamente en su validez. En el lagrangiano (expresión que representa la energía del sistema) de la QCD aparece el siguiente término:
Este término aparece debido a las peculiares características del vacío de la QCD y representa la cantidad de violación de la simetría CP. El ángulo Ø que aparece en esta expresión es un ángulo fijo cuyo valor está determinado por los detalles
de la ruptura espontánea de la simetría en el SM (modelo estándar) y puede tomar cualquier valor entre 0 y PI. El EDM y por tanto la cantidad de violación de simetría CP del núcleo atómico está determinado por este ángulo."g" es una constante de acoplo y F y 'F son los tensores de fuerza. Poniendo valores en la anterior expresión para el neutrón obtenemos: |EDMn| = 10-16Ø e cm
Y ahora es donde empiezan los problemas (que a menudo suelen producir nuevos avances de la Física). Los experimentos de alta precisión con neutrones ultrafríos han arrojado un límite superior al EDM del neutrón: |EDMn| <3 10-26 e cm. Por tanto para que el valor teórico de la QCD esté deacuerdo con el valor experimental Ø debe de ser menor que 10-10 rad lo cual es prácticamente 0. Es difícil admitir que este valor tan ridículamente pequeño de Ø se haya producido por azar, esto exige admitir un ajuste demasiado fino, este hecho se conoce como el problema de la "violación CP fuerte".
En 1977 los físicos Peccei y Quinn propusieron una solución sencilla, "natural" y elegante para este problema. Hasta hoy no ha aparecido una solución mejor para resolver esta cuestión..
La solución al problema de la violación CP fuerte: El Axión
El llamado modelo estándar (SM) es la teoría que recoge todo lo que sabemos sobre el comportamiento de las partículas que conocemos. El SM está basado en la simetría SU(3)xSU(2)xU(1). El Universo al ir enfriándose pasó por varios cambios de fase o rupturas espontáneas de la simetría lo que rompió las simetrías iniciales en otras más simples.
La simetría U(1) es la simetría de un círculo y es la más elemental de todas. Se piensa que en el vacío cuántico puede haber nuevos campos aún no descubiertos con esta simetría. Pues bien, resulta que si añadimos al SM otra simetría U(1), cuando se produce la ruptura espontánea de la simetría, nuestro término anterior del Lagrangiano sufre una pequeña modificación y se convierte en:
Es decir, el ángulo fijo Ø ha sido sustituido por el cociente entre un nuevo campo "a" y una constante de acoplo "fa". El nuevo campo es el campo de una nueva e hipotética partícula: el Axión. Ahora tenemos una explicación de porqué el ángulo Ø es tan pequeño: éste depende del campo "a" que está dividido entre una constante fa cuyo valor (que depende de la energía a la que se produce la ruptura de simetría) es muy grande, por esto, Ø es tan pequeño.
Las "extrañas" propiedades del Axión y la materia oscura
La existencia del axión además de resolver el problema de la violación CP fuerte puede resolver uno de los mayores problemas de la Física y la Cosmología: el problema de la materia oscura. Sus características le hacen un candidato
ideal para formar el 23% de la masa-energía del Universo: posee una pequeña masa, una vida media muy grande (más
de 1024 años) y se acopla muy débilmente a la materia (fa es muy grande). ¿Pero existe realmente el axión? ¿Como se le puede detectar?
El axión posee algunas características nuevas y sorprendentes como corresponde a una nueva entidad con nuevas leyes Físicas. El axión se acopla al fotón ya que posee un Lagrangiano de la siguiente forma:
Esto tiene varias y sorprendentes consecuencias:
1º) En presencia de grandes campos magnéticos el axión se "mezcla" con el fotón de forma que éste parece oscilar:
Este efecto se denomina proceso Primakoff y es el principal fenómeno que permitiría su detección.
2º) El efecto Primakoff puede resultar en una pequeña violación de una de las leyes físicas mejor establecidas: la invarianza Lorentz. Esta violación podría permitir procesos que actualmente están prohibidos por las leyes de la Física como por ejemplo que un rayo cósmico emitiese espontáneamente un fotón.
3º) Un campo de axiones en el vacío cuántico oscilaría periódicamente con una frecuencia w. Esto produciría una "absorción" de todos los fotones de una cierta longitud de onda relacionada con esta frecuencia lo que provocaría que no
existiesen fotones de esa frecuencia en presencia de un campo de axiones. Sin embargo, los cálculos indican que el ancho de esta frecuencia prohibida sería muy pequeño aunque futuros experimentos podrían intentar detectarlo.
Debido a la enorme importancia de esta nueva partícula existen numerosos experimentos en marcha para encontrarla: PVLAS, CAST, ADMX, "Light shining throgh walls", IAXO, ALPS. Los límites actuales impuestos por experimentos de laboratorio y por experimentos astrofísicos indican que 107GeV<fa<3*1011GeV lo que daría una masa para el axión: 0,001meV<ma<10meV. Esto puede verse en la siguiente figura:
En los próximos años, el experimento ADMX mejorará su sensibilidad notablemente lo que le permitirá buscar axiones en el rango entre 0,001meV y 0,1meV. El escubrimiento de la composición de la materia oscura puede ser inminente.
Este artículo muestra de nuevo el inmenso poder de la Física y las Matemáticas para explicar el Universo, nuestras teorías nos permiten predecir la existencia de nuevas entidades físicas con nuevas y extrañas propiedades. Solo el experimento decidirá si esta predicción de la Física es o no correcta y si Peccei y Quinn pasan a formar parte del
selecto grupo de personas que se atrevieron a "predecir" alguna de las leyes más profundas de la naturaleza.
Fuentes: Axions, Cold Axion Background,
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