El Modelo Estándar de la física de partículas es uno de los marcos teóricos más precisamente probados en la ciencia, pero no está completo. No explica la materia oscura, la energía oscura, ni por qué la materia domina sobre la antimateria en el universo. Una posibilidad destacada es la existencia de nuevas partículas, axiones, bosones Z’, fotones oscuros, que median fuerzas más allá del Modelo Estándar. El desafío es que estas partículas, si existen, interactúan tan débilmente con la materia ordinaria que han evadido la detección.
Ahora, un equipo de físicos de Amherst College y Keene State College ha establecido las restricciones más estrictas hasta la fecha sobre ciertas clases de estas interacciones exóticas, mejorando los límites anteriores en un factor de hasta 17.
Un comagnetómetro sobre una plataforma giratoria
El experimento, liderado por el grupo de Larry R. Hunter en Amherst College, utiliza un comagnetómetro ¹⁹⁹Hg–¹³³Cs, un dispositivo que mide simultáneamente la precesión de dos especies atómicas diferentes en el mismo campo magnético. Al comparar cómo se comportan el mercurio (cuya precesión es sensible al espín nuclear) y el cesio (cuya precesión es sensible al espín electrónico), el equipo pudo aislar cualquier fuerza dependiente del espín que se acople de manera diferente a los dos átomos.
El aparato consta de tres celdas de vapor apiladas: una que contiene vapor de ¹⁹⁹Hg flanqueada por dos que contienen ¹³³Cs. Un campo magnético de 1 μT proporciona una frecuencia de precesión de aproximadamente 7 Hz para el mercurio y de aproximadamente 3.5 kHz para el cesio, la diferencia de 500 veces significa que el cesio cicla 120 veces por cada ciclo del mercurio, proporcionando una lectura continua de alta resolución de cualquier señal de espín diferencial.
La innovación clave es montar todo el comagnetómetro en una plataforma de rotación de precisión con una reproducibilidad de 0.004 grados. La propia Tierra sirve como fuente de espín: el equipo utilizó la polarización neta de los electrones en el manto y la corteza terrestres, estimada en 5 × 10³⁸ o más electrones alineados a lo largo del eje de rotación, como una fuente masiva y natural de espines polarizados. Al rotar el aparato entre orientaciones norte-sur y este-oeste, cualquier interacción exótica espín-espín modularía la frecuencia de precesión en un patrón predecible.
Las cifras
Al ejecutar el experimento en ambas orientaciones con análisis ciego (desplazamientos aleatorios aplicados hasta el descubrimiento) y teniendo en cuenta 13 correcciones sistemáticas locales y 5 globales, el equipo obtuvo resultados nulos, la señal fue consistente con cero en todas las orientaciones. Estos resultados nulos se traducen en cotas superiores sobre las constantes de acoplamiento de las fuerzas exóticas dependientes del espín.
En la orientación norte-sur, el equipo alcanzó un límite de frecuencia de 72 nHz para la señal de precesión diferencial. El límite de energía correspondiente sobre cualquier acoplamiento total dependiente del espín es de 7.49 × 10⁻²³ eV.
El resultado más restrictivo establece un límite superior sobre la constante de acoplamiento axial electrón-neutrón |g_A^e g_A^n| ≤ 3.0 × 10⁻⁴⁸, aproximadamente 17 millones de veces más débil que la interacción gravitacional entre un electrón y un neutrón. Para el acoplamiento axial electrón-protón, el límite es |g_A^e g_A^p| ≤ 3.0 × 10⁻⁴⁷.
Para masas por debajo de aproximadamente 10⁻¹² eV (correspondientes a rangos de interacción más allá de 1 km), estos son los mejores límites experimentales jamás establecidos.
Lo que esto significa para la materia oscura y la nueva física
Las partículas exóticas restringidas por este experimento cubren una amplia gama de candidatos a materia oscura:
- Axiones y partículas tipo axión (ALPs): predichas por soluciones al problema CP fuerte y principales candidatos a materia oscura, restringidas a través de su acoplamiento axial-axial a electrones y nucleones.
- Bosones Z’ y fotones oscuros: portadores de fuerza hipotéticos de nuevas simetrías de gauge U(1), restringidos a través de sus acoplamientos axial-vectoriales.
- Modelos de gravedad con torsión: extensiones de la relatividad general que introducen acoplamientos gravitacionales dependientes del espín.
El experimento no descarta estas partículas por completo, reduce el espacio de parámetros permitido. Para cada candidato, el rango de constantes de acoplamiento posibles se ha reducido aproximadamente en un orden de magnitud en comparación con las mejores mediciones anteriores.
La metodología importa
Varios avances experimentales contribuyeron a la mejora de 17 veces con respecto al estado del arte anterior (incluyendo el artículo de 2013 del mismo grupo en Science). El equipo utilizó una geometría de precesión libre que suprime los desplazamientos lumínicos vectoriales AC de los láseres de bombeo, un blindaje magnético de cuatro capas de mu-metal que proporciona una atenuación de aproximadamente 3 millones, una plataforma de rotación de precisión para el control de orientación, y una caracterización sistemática exhaustiva con 18 correcciones separadas.
El protocolo de análisis ciego, estándar en física de partículas en grandes instalaciones pero menos común en experimentos de precisión de mesa, añade confianza de que un sesgo experimental inconsciente no influyó en el resultado.
La financiación fue proporcionada por la subvención NSF PHY-2110523. El artículo fue enviado a arXiv el 30 de junio de 2026.
Fuente
Clayburn, N.B., Glassford, A., Uelmen, T., Kyung, A.R., Boneva, Y., Salim, S., Weiss, A.S., Waldherr, F., Carlin, C., Peck, S.K., and Hunter, L.R. “New Bounds on Exotic Long-Range Spin-Spin Interactions.” arXiv:2607.00200 physics.atom-ph] (2026). [https://arxiv.org/abs/2607.00200
Traducido por Alessandra