El Gran Colisionador de Hadrones lleva años registrando pérdidas breves de haz cuando polvo micrométrico entra en los haces de protones. Dos físicos proponen que una pequeña fracción podría ser activada por nuggets de quarks axiónicos que atraviesan roca cercana. No se ha detectado esa materia oscura, pero las correlaciones temporales alrededor del anillo permiten poner el modelo a prueba.
Puntos clave
- En el LHC, UFO designa una pérdida súbita de haz atribuida normalmente a polvo micrométrico que entra en un haz de protones; no es la observación de una nave extraterrestre.
- Un artículo de dos autores en Physical Review D propone que nuggets de quarks axiónicos de antimateria, con masas de unos 5 a 1.000 gramos, podrían generar ondas de choque acústicas al atravesar roca a menos de unos 100 kilómetros del LHC.
- El modelo estima que aproximadamente entre el 1 % y el 10 % de los eventos UFO podrían proceder de este mecanismo. La proporción depende de supuestos y el estudio no identifica ningún nugget de quarks axiónicos en los datos del LHC.
- La señal más distintiva serían varios eventos UFO correlacionados en puntos muy separados del anillo dentro de un intervalo aproximado de 6 milisegundos a 2 segundos, un patrón difícil de producir para fuentes locales de polvo.
- El cálculo indica que tres eventos correlacionados en menos de dos segundos podrían superar una relación señal-ruido de 5 en todo el intervalo de masas supuesto tras unas 360 horas de medición. La atenuación en la roca, la distribución del polvo y los fondos correlacionados aún deben comprobarse con datos reales.
El Gran Colisionador de Hadrones quizá pueda hacer algo más que colisionar protones para buscar partículas nuevas. También podría actuar como un estetoscopio subterráneo gigantesco, atento a las vibraciones que dejaría un candidato macroscópico a materia oscura al atravesar la roca. Los físicos Xunyu Liang y Ariel Zhitnitsky, de la Universidad de Columbia Británica, proponen en Physical Review D usar el sistema existente de vigilancia de pérdidas de haz del LHC para buscar eventos en varios puntos causados por nuggets de quarks axiónicos, o AQN.
Es un modelo pendiente de contrastar con datos, no un descubrimiento de materia oscura. Bajo los supuestos AQN del artículo, aproximadamente entre el 1 % y el 10 % de los llamados objetos no identificados que caen —Unidentified Falling Objects o UFO— del LHC podrían estar relacionados con el mecanismo. Los autores no han seleccionado ningún evento como señal AQN confirmada. La novedad es una pauta explícita de tiempos y posiciones que permite buscar, restringir o descartar la hipótesis.
En el colisionador, un UFO es una alarma de polvo
Desde 2010, el LHC registra una clase de pérdidas breves de haz: polvo de escala micrométrica se desprende de la pantalla del haz, adquiere carga, es atraído hacia un haz de protones y sufre colisiones inelásticas con protones de alta energía. Un evento típico dura solo entre unos 0,1 milisegundos y varios milisegundos, pero puede ordenar la descarga del haz e incluso hacer que un imán superconductor pierda su estado. Estudios operativos y experimentales del CERN han reunido abundantes pruebas a favor de la explicación del polvo. Lo que aún no está del todo claro es cómo se liberan inicialmente la mayoría de los granos adheridos a la parte inferior de la pantalla.
Alrededor de 4.000 monitores de pérdidas de haz se distribuyen por los 27 kilómetros del anillo del LHC para proteger la máquina cuando las partículas se desvían del haz. Un solo grano suele dejar un pico local de milisegundos. Si una perturbación mecánica externa barriera toda la instalación, monitores muy separados podrían registrar eventos uno tras otro. Esa correlación espacial y temporal es la información que aprovecha la propuesta.
Cómo un candidato macroscópico podría desprender polvo a través de la roca
Un AQN es un hipotético grumo de materia de quarks con densidad nuclear, estabilizado por un campo de axiones; el modelo permite que coexistan versiones de materia y antimateria. Es muy distinto de las búsquedas habituales de partículas masivas de interacción débil o de axiones individuales. El artículo considera nuggets de unos 5 a 1.000 gramos. Su volumen seguiría siendo diminuto y su número y frecuencia de paso por la Tierra serían relativamente bajos. El mecanismo se centra en los AQN de antimateria, porque al entrar en la Tierra podrían aniquilarse con materia ordinaria y liberar energía.
Según el modelo acústico, un AQN de antimateria que viaja rápidamente bajo tierra genera una onda de choque a lo largo de su trayectoria. Si pasa a menos de unos 100 kilómetros del LHC, la perturbación de presión que llegue al túnel podría vencer la adhesión entre algunos granos y la pantalla del haz, lanzándolos al tubo de vacío. Solo después el polvo interactuaría con un haz de protones y produciría una pérdida UFO conocida. Es decir, el modelo no plantea que la materia oscura golpee directamente el haz de protones.
La cadena causal contiene varias estimaciones: masa y flujo de AQN, energía de aniquilación en la roca, presión y frecuencia acústicas, atenuación durante la propagación, y tamaño, posición y adhesión del polvo en la pantalla. El artículo reconoce que la absorción del sonido en sólidos es compleja y que su supuesto de atenuación débil requiere calibración experimental. Que el cálculo permita desprender polvo no significa que la máquina ya haya medido ese mecanismo.
Una huella que recorre el anillo en menos de dos segundos
Las fuentes locales de polvo suelen afectar solo a secciones próximas. En cambio, una onda acústica producida por un AQN podría cruzar el anillo del LHC, de unos 8,5 kilómetros de diámetro. Los autores recomiendan buscar una ráfaga de UFO: varios eventos en posiciones separadas del anillo dentro de aproximadamente 6 milisegundos a 2 segundos, con diferencias de llegada compatibles con la dirección de la onda y las distancias entre monitores. Esta correlación lejana y breve discrimina mejor el fondo accidental que una sola pérdida de haz.
El estudio adopta de forma conservadora un fondo de no más de 10 UFO ordinarios por hora y supone unas 12 horas diarias de funcionamiento del LHC. Tras unas 360 horas de datos, dos eventos correlacionados solo serían muy distintivos para AQN más pesados. Tres eventos en la misma ventana de dos segundos podrían producir una relación señal-ruido superior a 5 en todo el intervalo de masas usado en el artículo. Son predicciones de sensibilidad del modelo, no una significación experimental ya alcanzada.
Los monitores existentes hacen posible la prueba sin construir un gran detector nuevo de materia oscura, pero un análisis fiable tendría que controlar el estado de la máquina, la actividad del polvo y otros fondos vibratorios. Los autores también proponen comparar las pérdidas de haz con la red sísmica del CERN, sensores acústicos distribuidos y datos de infrasonido. Tiempos de llegada compatibles en sistemas distintos ayudarían a separar un frente de onda común del ruido mecánico local.
Que los monitores antiguos respondan una pregunta nueva
El paso siguiente más directo no es anunciar un descubrimiento, sino volver a analizar los registros de pérdidas con criterios explícitos: encontrar UFO en regiones distintas dentro de dos segundos, comprobar si sus posiciones encajan con un frente de onda en propagación y revisar los fondos sísmicos y acústicos. Si no aparece la proporción prevista de candidatos, los datos podrían limitar la distribución de masas, el flujo o el acoplamiento acústico de los AQN.
La propuesta resulta atractiva porque reutiliza una red de sensores construida para la seguridad de la máquina con el fin de probar un modelo macroscópico de materia oscura en la frontera entre física de partículas y cosmología. Los AQN siguen siendo hipotéticos y persisten incertidumbres importantes en la propagación acústica y la liberación del polvo. Solo un análisis transparente que elimine fondos operativos conocidos y encuentre una señal coherente en sistemas independientes podría convertir una anomalía oída por este estetoscopio subterráneo en evidencia de materia oscura.