Rotación de la luz en el vacío y la materia oscura del Universo

Desde la síntesis maravillosa realizada por Maxwell de nuestros conocimientos clásicos de las interacciones eléctricas y magnéticas sabemos que la luz no es sino una onda electromagnética que se propaga en el vacío. Dichas ondas son trasversales de tal manera que los campos eléctricos y magnéticos son perpendiculares entre si y a la dirección de propagación de la onda describiendo en general un movimiento elíptico en el plano perpendicular a la misma. Esta propiedad de la luz recibe el nombre de polarización elíptica. En caso particular de que uno de los semiejes de la elipse sea nulo se dice que la luz está polarizada linealmente.

En el experimento PVLAS los investigadores hicieron pasar una luz láser con una longitud de onda de 1064 nanómetros linealmente polarizada a través de un campo magnético de 5 Teslas producido por un imán superconductor de un metro de longitud. Tras hacer pasar la luz por el imán 44.000 veces observaron una rotación promedio del plano de polarización de la luz de 3.9 más menos 0.5 por diez elevado a menos doce radianes en cada pasada. En principio este efecto es incompatible con la teoría electromagnética de Maxwell.

Sin embargo un fenómeno de este tipo era más o menos esperado debido a las llamadas fluctuaciones cuánticas del vacío. En efecto en el marco de la Física Cuántica el vacío no es equiparable a la nada, sino más bien al estado de menor energía del sistema. La versión cuántica de la teoría electromagnética de Maxwell denominada Electrodinámica Cuántica predice que el vacío se comporta en cierto sentido como un medio dieléctrico debido a la creación de pares virtuales electrón-positrón (polarización del vacío). Estos pares virtuales son los que pueden dar lugar a la rotación del plano de polarización de la luz al pasar por el seno de un campo magnético. Sin embargo el efecto observado por el grupo de Zabattini es mucho mayor que el que podría esperarse como consecuencia de la polarización del vacío. Surge por tanto la pregunta de cuál puede ser la causa de dicho fenómeno.

En el artículo mencionado al principio la colaboración PVLAS sugiere que una de las explicaciones posibles del fenómeno descubierto por ellos podría ser la interacción de la luz con los llamados axiones. Dichas partículas hipotéticas fueron introducidas en 1977 por Peccei y Quinn para explicar por que las interacciones fuertes respetan una simetría llamada CP (conjugación de carga-paridad). Las interacciones fuertes mantienen unidos a los quarks en el interior de los hadrones como el protón y el neutrón, y además dan lugar a las fuerzas nucleares entre ellos. La simetría C consiste en intercambiar cada partícula por su antipartícula y la paridad P en sustituir el sistema físico en cuestión por lo que veríamos si lo observáramos a través de un espejo y lo rotáramos 180 grados. En principio no hay ninguna razón por la cual las interacciones fuertes deban respetar dicha simetría pero sabemos que es así por la pequeñez del momento dipolar eléctrico del neutrón. La existencia de los axiones explicaría de forma natural la aparición de esta simetría a través del mecanismo de Peccei y Quinn. Sin embargo los axiones no han sido observados hasta la fecha y de ahí la trascendencia que el resultado obtenido por la colaboración PVLAS podría tener en el futuro.

Aún más importante si cabe que la posible explicación de la simetría CP de las interacciones fuertes es el papel de los axiones como candidatos a materia oscura. A raíz de las recientes observaciones de supernovas en galaxias lejanas, la distribución de las fluctuaciones de densidad a escala cosmológica y sobre todo de la radiación de fondo de microondas, hoy día sabemos que la composición del universo consiste más o menos en un 4% de materia ordinaria, un 21% de materia oscura, es decir materia formada por algún tipo de partícula aún por descubrir, y un 75% de energía oscura de la cual no sabemos prácticamente nada. Los axiones podrían por tanto constituir dicha materia oscura y haber sido descubiertos por primera vez en el experimento dirigido por Emilio Zabattini.

Sin embargo las cosas no son tan sencillas. Aparentemente las características que han de tener los axiones para explicar el efecto observado por la colaboración PVLAS no son compatibles con otros tipos de observaciones astrofísicas como las realizadas por la colaboración CAST (CERN Axion Solar Observatory). Este hecho cuestiona por tanto seriamente la explicación del experimento PVLAS y la de la propia materia oscura en términos de los axiones.

Otras partículas consideradas habitualmente en la literatura como candidatas a materia oscura son los llamados neutralinos. Dichos neutralinos son un caso particular de las llamadas partículas supersimétricas que tendrían propiedades análogas a las de las partículas conocidas pero con diferente espín (momento angular intrínseco) y mayor masa. El problema es que tras tres décadas de búsqueda dichas partículas no han sido observadas y además su masa es demasiado grande como para que pudieran explicar el experimento PVLAS. Aparte de los axiones y las partículas supersimétricas existen otros candidatos a materia oscura más o menos exóticos. Por ejemplo hace tres años mis colaboradores de la Universidad Complutense J. A. Cembranos, A. L. Maroto y el autor del presente artículo propusimos en un artículo publicado en el Physical Review Letters un nuevo candidato en el contexto de las modernas teorías con dimensiones extra en el que las oscilaciones de la llamada membrana de mundo (branones) darían lugar a la materia oscura. Bajo ciertas circunstancias dichos branones podrían explicar también el efecto observado en PVLAS pero eso se encuentra todavía en fase de estudio.

En definitiva, el descubrimiento por parte el grupo de Emilio Zabattini de la rotación de la polarización de la luz al pasar por un campo magnético intenso resulta tremendamente excitante y podría tener conexiones con cuestiones fundamentales de la física y de la cosmología como la naturaleza de la materia oscura. Habrá que esperar algún tiempo para saber cuál es el verdadero alcance de dicho descubrimiento.