Un experimento alemán intenta conseguir lo imposible: hacer que la luz atraviese una pared para descubrir el axión, una partícula que podría explicar la materia oscura. Aunque los científicos todavía no han logrado atraparla, han conseguido un récord de sensibilidad que abre nuevas posibilidades para resolver uno de los mayores enigmas del universo.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Sala limpia central del experimento ALPS II, en el centro de investigación DESY (Alemania). La gran cámara de vacío del fondo alberga la pared que separa las zonas donde los científicos intentan transformar fotones en axiones y volver a convertirlos en luz. Cortesía: Axel Lindner.
En un túnel subterráneo de Hamburgo, un equipo internacional de científicos intenta conseguir algo que parece imposible: hacer que la luz atraviese una pared completamente opaca. No se trata de un truco de ilusionismo ni de un experimento destinado a desafiar las leyes conocidas de la naturaleza. Su objetivo es encontrar una partícula hipotética tan escurridiza que podría haber permanecido oculta desde el nacimiento del universo. Se llama axión y es uno de los candidatos más interesantes para explicar la naturaleza de la materia oscura, la misteriosa sustancia que constituye aproximadamente el 85 % de toda la materia del cosmos.
El experimento se llama ALPS II (Any Light Particle Search II) y funciona en las instalaciones del Sincrotrón Alemán de Electrones o DESY, el mayor centro de investigación germano de física de partículas. Sus primeros resultados científicos, obtenidos durante una campaña desarrollada entre febrero y mayo de 2024, representan un avance importante en la búsqueda de nuevas partículas elementales.
La colaboración internacional no ha encontrado pruebas de la existencia de axiones, pero ha conseguido un récord: multiplicar por más de veinte la sensibilidad alcanzada por los experimentos anteriores que intentaban hacer atravesar la luz una pared. Los resultados se presentan este mes en la revista Physical Review Letters.
Qué son los axiones y por qué podrían explicar la materia oscura
Los axiones son partículas elementales hipotéticas, extremadamente ligeras y con interacciones muy débiles con la materia ordinaria. Su existencia fue propuesta a finales de la década de 1970 para resolver un problema fundamental de la física conocido como el problema CP fuerte, relacionado con determinadas simetrías de las interacciones nucleares.
Las ecuaciones de la cromodinámica cuántica, la teoría que describe la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, permiten ciertos fenómenos que violarían esas simetrías. Sin embargo, los experimentos no han encontrado indicios de tales efectos. La existencia del axión ofrecería una explicación natural a esta aparente contradicción.
Con el tiempo, los físicos descubrieron que esta partícula también podría ayudar a resolver uno de los mayores misterios de la cosmología: la composición de la materia oscura.
Aunque no puede observarse directamente mediante la luz, la materia oscura revela su presencia a través de sus efectos gravitatorios. Su influencia ayuda a explicar el movimiento de las estrellas en las galaxias, el comportamiento de los cúmulos galácticos y la formación de las grandes estructuras cósmicas.
Los axiones reúnen algunas propiedades compatibles con esta materia invisible: carecerían de carga eléctrica, podrían tener masas extraordinariamente pequeñas y apenas interactuarían con otras partículas. No obstante, todavía no existen pruebas experimentales de que los axiones sean reales ni de que constituyan la materia oscura.
Simulación de la red cósmica de materia oscura formada por hipotéticos axiones. Las ondas de estas partículas generan patrones de interferencia y concentraciones de materia, entre ellas las llamadas estrellas de axiones, que podrían encontrarse en el interior de los halos galácticos. Cortesía: Francesca Chadha-Day et al. / Science Advances
Cómo funciona ALPS II: el experimento que intenta hacer atravesar la luz una pared
La estrategia de ALPS II aprovecha una propiedad que podrían tener los axiones y otras partículas similares: su capacidad para transformarse en fotones, las partículas de la luz, cuando atraviesan determinadas regiones sometidas a campos magnéticos intensos. El proceso también podría producirse a la inversa.
El experimento utiliza un potente láser infrarrojo que atraviesa una zona sometida a un intenso campo magnético. En determinadas condiciones, algunos fotones podrían transformarse en axiones. Estas partículas atravesarían después una barrera que bloquea por completo la luz convencional.
Al otro lado de la pared, un segundo conjunto de imanes permitiría que algunos de esos axiones volvieran a convertirse en fotones. Si los detectores registrasen una señal luminosa compatible con este proceso, los científicos podrían haber encontrado indicios de una nueva partícula elemental.
Esta técnica se conoce como light shining through a wall, expresión inglesa que significa literalmente luz que atraviesa una pared. Su principio es sencillo de explicar, pero extremadamente difícil de llevar a la práctica porque las probabilidades de conversión entre fotones y axiones serían diminutas.
Una búsqueda de partículas que no depende de observar el universo
Una de las principales ventajas de ALPS II es que permite producir y detectar las partículas hipotéticas dentro de una misma instalación. A diferencia de otros experimentos que buscan axiones procedentes del Sol o asociados a la materia oscura de nuestra galaxia, sus resultados no dependen de suposiciones sobre la cantidad y distribución de estas partículas en el espacio.
Según explican los investigadores de la colaboración ALPS II en su artículo, esta independencia respecto a los modelos astrofísicos y cosmológicos constituye uno de los principales atractivos científicos del dispositivo. Permite explorar directamente determinadas interacciones entre la luz y posibles partículas desconocidas.
Veinticuatro imanes superconductores para encontrar una señal casi imposible
El experimento ocupa una sección recta del antiguo acelerador de partículas HERA, que dejó de funcionar en 2007. Los investigadores han reutilizado veinticuatro imanes superconductores, distribuidos en dos grupos de doce, situados a ambos lados de la pared.
Cada imán genera un campo magnético de aproximadamente 5,3 teslas, unas 100.000 veces más intenso que el campo magnético terrestre. Estos campos constituyen el escenario donde podría producirse la transformación entre fotones y axiones.
La adaptación de los imanes exigió una intervención técnica singular. Habían sido construidos con una ligera curvatura para dirigir haces de protones alrededor del antiguo acelerador, pero ALPS II necesitaba disponer de un recorrido lo más recto posible para el paso del haz láser.
«Los técnicos desarrollaron un procedimiento para enderezar los conductos interiores sin desmontar completamente los sistemas criogénicos. Gracias a esta modificación, fue posible instalar los imanes en dos largas secciones de aproximadamente 106 metros de longitud magnética cada una.
Para aumentar las posibilidades de detectar una señal, ALPS II incorpora una cavidad óptica detrás de la pared, formada por espejos cuidadosamente alineados. Este sistema permite amplificar la luz que pudiera regenerarse mediante el proceso hipotético de conversión de axiones en fotones.
Durante la primera campaña científica, la cavidad alcanzó un factor de amplificación de aproximadamente 7.000.
Una precisión capaz de detectar señales inferiores a 10⁻²² vatios
La dificultad experimental resulta extraordinaria. Los científicos necesitan distinguir señales luminosas de potencias inferiores a 10⁻²² vatios, completamente imperceptibles mediante los sistemas convencionales de detección.
Para conseguirlo, ALPS II emplea varios láseres sincronizados con enorme precisión y un método de detección basado en la interferencia de ondas luminosas. Esta técnica permite buscar la frecuencia característica que tendría una señal regenerada detrás de la pared.
Los autores destacan que uno de los grandes logros de esta primera campaña ha sido demostrar el funcionamiento estable del sistema óptico y su calibración fiable. Esto exigió controlar las diferencias de frecuencia entre los láseres con una precisión inferior a una millonésima de hercio, un requisito fundamental para las siguientes fases del experimento.
Primeros resultados de ALPS II: no aparecen axiones, pero se alcanza un récord de sensibilidad
Durante la campaña científica, desarrollada entre febrero y mayo de 2024, los investigadores reunieron aproximadamente 456 horas de datos válidos, utilizando dos orientaciones de la polarización de la luz respecto al campo magnético.
El análisis detectó una pequeña señal residual, pero sus características no coincidían con las esperadas para una conversión de fotones en axiones. La colaboración considera que probablemente estaba causada por luz parásita que conseguía filtrarse en el sistema experimental.
El resultado principal es que ALPS II no ha encontrado evidencias de axiones ni de otras partículas ligeras hipotéticas en esta primera campaña. Sin embargo, la ausencia de detección ha permitido establecer restricciones mucho más exigentes sobre la intensidad con la que estas partículas podrían interactuar con la luz.
Para bosones pseudoescalares similares a los axiones, con masas inferiores a aproximadamente 0,1 milielectronvoltios, los científicos han situado el límite de acoplamiento con los fotones por debajo de 1,5 × 10⁻⁹ GeV⁻¹, con un nivel de confianza del 95 %.
Esta magnitud describe la intensidad de la posible interacción entre los axiones y los fotones. Cuanto menor es el valor que un experimento consigue explorar, más débiles son las interacciones que puede investigar.
La colaboración subraya que la sensibilidad alcanzada supera en más de veinte veces la de los experimentos anteriores que utilizaban esta misma técnica.
Qué significa no encontrar axiones en un experimento científico
La ausencia de señales no demuestra que los axiones no existan. Significa que, dentro de las masas y las intensidades de interacción examinadas, el experimento no ha observado el fenómeno que buscaba.
Este resultado permite descartar determinadas combinaciones de propiedades de las partículas hipotéticas, pero deja abiertas numerosas posibilidades teóricas.
Además, ALPS II no es todavía el detector de axiones más sensible entre todas las técnicas disponibles. Su récord corresponde específicamente a las búsquedas de laboratorio basadas en la regeneración de luz detrás de una barrera. Otros experimentos, especialmente los que investigan axiones procedentes del Sol, han establecido límites más estrictos en determinadas regiones.
Impresión artística de un axión, un candidato a materia oscura. Crédito: IA / RexMolón Producciones
La búsqueda también incluye fotones ocultos y otras partículas desconocidas
Aunque el axión es su objetivo más conocido, ALPS II también permite explorar otras propuestas de física más allá del modelo estándar, la teoría que describe las partículas elementales que componen la materia y tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Aunque explica con enorme precisión numerosos fenómenos físicos, no logra explicar la materia oscura ni incorporar la gravedad.
Entre ellas figuran los fotones ocultos, también denominados fotones oscuros, que podrían estar asociados a nuevas interacciones fundamentales. Del mismo modo, el experimento ha establecido límites sobre determinados bosones escalares y tensoriales, partículas hipotéticas con diferentes propiedades físicas.
Estas investigaciones forman parte de un esfuerzo internacional por descubrir fenómenos que no encajan en el modelo estándar, desarrollado a comienzos de la década de 1970. Pese a sus numerosos éxitos, esta teoría no explica la naturaleza de la materia oscura ni resuelve otros problemas fundamentales de la física. Encontrar una nueva partícula supondría una pista decisiva para construir una descripción más completa del universo.
El futuro de ALPS II: multiplicar por cien la sensibilidad de búsqueda
Los investigadores trabajan ahora en una actualización del sistema óptico que podría transformar considerablemente las capacidades del experimento.
La principal mejora prevista consiste en instalar una segunda cavidad resonante antes de la pared. Su función será aumentar la cantidad efectiva de luz disponible para producir posibles axiones, incrementando así las probabilidades de que aparezca una señal detectable.
También se pretende reducir la presencia de luz parásita, disminuir el ruido instrumental y mejorar posteriormente la cavidad de regeneración.
Según explican los autores, el objetivo es aumentar la sensibilidad al acoplamiento entre axiones y fotones en aproximadamente dos órdenes de magnitud, lo que equivale a una mejora de alrededor de cien veces respecto a los primeros resultados.
Si se alcanza esa meta, ALPS II podría aproximarse a la sensibilidad de determinadas búsquedas astrofísicas y explorar modelos de partículas que actualmente quedan fuera de su alcance.
La búsqueda de axiones continúa siendo una de las grandes apuestas de la física contemporánea. Su descubrimiento podría conectar dos problemas aparentemente alejados: una peculiaridad teórica de la fuerza nuclear fuerte y la composición de la materia oscura que domina el contenido material del universo.
Por ahora, la pared de Hamburgo sigue sin dejar pasar ninguna señal atribuible a estas partículas. Pero el experimento ha demostrado que es posible investigar interacciones extraordinariamente débiles con una precisión hasta hace poco inaccesible para esta técnica. En física, no encontrar lo que se busca también puede ser un avance: cada nueva región explorada reduce las posibilidades y ayuda a delimitar dónde podría esconderse la respuesta. ▪️ (11 de noviembre de 2026)
🔬 Axiones y materia oscura: las preguntas clave de un experimento extraordinario
Un laboratorio alemán intenta hacer que la luz atraviese una pared para encontrar una partícula que podría explicar la materia oscura. Estas son las claves para entender qué busca ALPS II, cómo funciona y por qué sus primeros resultados son importantes para la física.
¿Qué es ALPS II?
ALPS II es un experimento de física de partículas situado en el centro de investigación DESY, en Hamburgo (Alemania). Su objetivo es buscar axiones y otras partículas hipotéticas mediante láseres, campos magnéticos y una técnica que intenta regenerar luz detrás de una pared completamente opaca.
¿Ha conseguido ALPS II descubrir los axiones?
No. Su primera campaña científica, desarrollada entre febrero y mayo de 2024, no encontró evidencias de axiones. Sin embargo, los científicos consiguieron mejorar más de 20 veces la sensibilidad de los experimentos anteriores basados en la técnica de hacer atravesar la luz una pared. Este avance permite explorar interacciones entre partículas que hasta ahora resultaban inaccesibles mediante este procedimiento.
¿Qué relación existe entre los axiones y la materia oscura?
Los axiones son partículas hipotéticas que podrían constituir parte o la totalidad de la materia oscura, la sustancia invisible que representa aproximadamente el 85 % de toda la materia del universo. Su masa extraordinariamente pequeña y sus interacciones muy débiles con la materia ordinaria los convierten en candidatos prometedores. No obstante, todavía no se ha confirmado experimentalmente su existencia.
¿Cómo se puede hacer que la luz atraviese una pared?
ALPS II intenta transformar algunos fotones, las partículas de la luz, en axiones mediante un potente campo magnético. Si se produjera esta conversión, los axiones podrían atravesar una pared opaca y convertirse nuevamente en fotones al pasar por un segundo campo magnético. La aparición de luz detrás de la barrera sería una posible señal de la existencia de nuevas partículas.
¿Por qué es importante el resultado si no se han encontrado axiones?
Porque no detectar una partícula también permite avanzar en su búsqueda. ALPS II ha establecido nuevos límites sobre la intensidad con la que los axiones podrían interactuar con la luz y ha demostrado que su tecnología puede alcanzar una sensibilidad mucho mayor que la de experimentos anteriores similares. Estos resultados ayudan a restringir determinados modelos teóricos y orientan futuras investigaciones.
¿Cuándo podría ALPS II detectar un axión?
No existe una fecha prevista para un posible descubrimiento. Los investigadores están mejorando el sistema óptico con el objetivo de aumentar aproximadamente cien veces la sensibilidad al acoplamiento entre axiones y fotones. Estas modificaciones permitirán explorar nuevas regiones experimentales, aunque ninguna mejora garantiza que finalmente se descubra la partícula.
Fuente científica: Colaboración ALPS II, Any Light Particle Searches with ALPS II: First Science Results. Consultar el estudio original.
Fuente: Daniel C. Brotherton et al. Any-light-particle searches with ALPSII: First science results. Physical Review Letters (2026). DOI: https://link.aps.org/doi/10.1103/61sw-k3bc
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