Buscando materia oscura con un interferómetro de espines

La materia oscura sigue siendo uno de los mayores enigmas de la física moderna. Sabemos que constituye cerca del 85% de la materia del universo, pero aún desconocemos su naturaleza. Una de las hipótesis más sólidas es que podría estar formada por partículas ultraligeras llamadas axiones o partículas tipo axión (ALPs, por sus siglas en inglés), que no forman parte del Modelo Estándar, pero que podrían explicar tanto la composición de la materia oscura como problemas fundamentales de la física de partículas.

En un estudio reciente publicado en Nature Communications (Gavilan-Martin et al., 2025), un equipo internacional de físicos exploró la existencia de estas partículas mediante un experimento innovador: un interferómetro basado en espines, compuesto por dos dispositivos de alta precisión llamados comagnetómetros atómicos, situados a 860 kilómetros de distancia, uno en Mainz (Alemania) y otro en Cracovia (Polonia).

¿Cómo funciona este experimento?

Los comagnetómetros utilizados están formados por átomos de potasio, rubidio y helio-3, y funcionan como detectores ultrasensibles de interacciones que afectan al espín nuclear y electrónico. Estos dispositivos son capaces de “cancelar” perturbaciones magnéticas externas, lo que les permite centrarse en interacciones exóticas, como las que se esperan de los axiones.

La idea central es que si los ALPs existen, deberían comportarse como un campo oscilante coherente que impregna toda la galaxia. Este campo podría interactuar débilmente con protones, neutrones y electrones, produciendo un efecto medible en la orientación de los espines atómicos.

Para aumentar la sensibilidad, los investigadores combinaron los datos de ambos laboratorios de manera similar a como lo hacen las redes de radiotelescopios (como el Event Horizon Telescope que captó la primera imagen de un agujero negro). Gracias a este “interferómetro de dos estaciones”, las posibles señales de axiones se sumarían de forma coherente, mientras que el ruido local se cancelaría en gran medida.

Resultados del estudio

Tras varios meses de observaciones y un análisis minucioso de más de 90 días de datos, los científicos no encontraron una señal concluyente de materia oscura en la forma de ALPs. Sin embargo, el resultado es valioso: el experimento logró establecer los límites más estrictos hasta la fecha para las posibles interacciones entre los ALPs y las partículas del Modelo Estándar.

En particular, se alcanzaron cotas inferiores a:

• gaNN < 10⁻⁹ GeV⁻¹ para neutrones,

• gaPP < 10⁻⁷ GeV⁻¹ para protones,

• gaee < 10⁻⁶ GeV⁻¹ para electrones.

Estos límites superan en hasta tres órdenes de magnitud a experimentos de laboratorio anteriores, lo que constituye un avance importante en la exploración del espacio de parámetros de los ALPs.

Implicaciones y próximos pasos

Aunque el estudio no haya detectado axiones, abre el camino a una nueva estrategia experimental para la física de partículas. Los comagnetómetros en red podrían aplicarse en escalas mayores, incluyendo futuras colaboraciones internacionales con estaciones distribuidas en distintos continentes. Además, los resultados ayudan a descartar regiones del espacio de parámetros donde podrían ocultarse estas partículas, lo que estrecha la búsqueda y orienta a nuevas teorías.

La investigación sobre la materia oscura sigue siendo un esfuerzo multidisciplinario que combina astrofísica, cosmología y física cuántica. Este trabajo demuestra que, con técnicas innovadoras, es posible avanzar incluso cuando los candidatos permanecen invisibles. Como concluyen los autores, “el silencio experimental también es información valiosa”: cada límite impuesto acerca un poco más a la ciencia a revelar qué constituye la mayor parte del cosmos.

Referencia

Gavilan-Martin, D., Łukasiewicz, G., Padniuk, M., Klinger, E., Smolis, M., Figueroa, N. L., Jackson Kimball, D. F., Sushkov, A. O., Pustelny, S., Budker, D., & Wickenbrock, A. (2025). Searching for dark matter with a spin-based interferometer. Nature Communications, 16, 4953. https://doi.org/10.1038/s41467-025-44953-y