El siglo XX supuso una auténtica revolución en nuestra comprensión del Universo. En la física de partículas, el desarrollo de la mecánica cuántica y del Modelo Estándar –la teoría que describe las partículas elementales y las fuerzas fundamentales entre ellas–, junto con grandes avances tecnológicos en aceleradores y detectores, permitió identificar los componentes básicos de la materia y las leyes que los gobiernan. Al mismo tiempo, la astrofísica y la cosmología vivieron una transformación profunda gracias a la relatividad general, la radioastronomía y la exploración espacial, que revelaron un universo en expansión, la radiación de fondo cósmico y objetos extremos como los agujeros negros.
Uno de los grandes logros de este periodo fue entender la evolución del cosmos. Las observaciones confirmaron que el universo nació en un estado muy caliente y denso –el Big Bang– y que, a lo largo de miles de millones de años, se fue enfriando y estructurando hasta dar lugar a galaxias, estrellas y planetas. Este vínculo entre la física de lo infinitamente pequeño y la historia del universo temprano constituye uno de los mayores éxitos científicos del siglo pasado.
Sin embargo, estos avances también revelaron profundas incógnitas. Las observaciones astronómicas indican que la materia ordinaria, la que forma todo lo que conocemos, representa solo una pequeña fracción del contenido del universo. La mayor parte corresponde a componentes aún desconocidos, como la materia oscura, esencial para explicar la formación de galaxias, y la energía oscura, responsable de la aceleración de la expansión cósmica, un resultado inesperado revelado por observaciones astronómicas a finales del siglo pasado.
A estas cuestiones se suman otros enigmas fundamentales, entre ellos el papel de los neutrinos. Estas partículas casi invisibles, presentes en enormes cantidades en el universo, atraviesan la materia sin apenas interactuar. El descubrimiento a finales del siglo XX de que poseen masa reveló límites en el Modelo Estándar y abrió nuevas preguntas sobre su naturaleza y su papel en la evolución del cosmos.
Aunque el marco teórico heredado del siglo XX ha demostrado una capacidad predictiva extraordinaria, sus límites señalan el camino hacia nuevas ideas y descubrimientos. Comprender la naturaleza de los neutrinos, unificar la gravedad con la física cuántica y desvelar la identidad de la materia y la energía oscuras son algunos de los grandes retos científicos del siglo XXI, llamados a seguir transformando nuestra visión del cosmos.
El Centro de Astropartículas y Física de Altas Energías (CAPA) de la Universidad de Zaragoza centra su actividad en el estudio teórico y experimental de las partículas y fenómenos que definen la estructura última de la naturaleza. Sus investigadores trabajan en el desarrollo de modelos que van más allá del Modelo Estándar y en el diseño de experimentos capaces de ponerlos a prueba mediante observaciones directas, manteniendo un estrecho diálogo entre teoría y experimento. Una de sus principales líneas de investigación es la búsqueda de la materia oscura. El CAPA participa en experimentos internacionales de detección directa, algunos instalados en entornos subterráneos como el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, y en proyectos dedicados a la búsqueda de axiones, partículas hipotéticas que podrían resolver varios problemas fundamentales de la física actual.
Laboratorio Subterráneo de Canfranc, bajo el monte Tobazo.Laura Uranga
Este esfuerzo requiere tecnologías desarrolladas en el límite de lo posible: detectores de fondo ultrabajo, imanes superconductores, cavidades resonantes de alta precisión o sensores cuánticos. Muchas de estas innovaciones encuentran aplicaciones más allá de la física fundamental, desde la instrumentación médica hasta nuevas técnicas de detección e imagen.
La actividad del CAPA se apoya además en una intensa colaboración internacional con grandes centros de investigación como el CERN, DESY o el Max Planck Institute, y consorcios científicos globales. A la vez, mantiene un fuerte compromiso con la formación de nuevos investigadores y con el fortalecimiento del ecosistema científico local, contribuyendo a situar a Aragón en la investigación de frontera.
Explorar lo invisible no es solo una cuestión de curiosidad intelectual, sino una forma de poner a prueba nuestras ideas más profundas sobre el espacio, el tiempo y la materia. En ese cruce entre preguntas fundamentales, innovación tecnológica y formación científica se sitúa la misión del CAPA.
Qué es la materia oscura y cómo se busca desde el CAPA
La materia oscura es un componente esencial del universo cuya presencia solo podemos deducir por sus efectos gravitatorios. No emite luz ni interactúa con la radiación de forma apreciable, pero sin ella las galaxias no podrían mantenerse unidas ni formarse las grandes estructuras cósmicas que observamos. Sabemos que existe, pero aún desconocemos de qué está hecha, y esa incógnita impulsa una intensa actividad científica en centros como el CAPA.
Módulo del experimento Anais, desmontado en la sala blanca del Laboratorio Subterráneo de CanfrancCAPA / Unizar
Para intentar identificarla, los investigadores necesitan detectores capaces de registrar señales extremadamente débiles, casi imperceptibles. Por eso muchos de estos experimentos se instalan en laboratorios subterráneos, donde la roca actúa como un blindaje natural frente a la radiación cósmica. En el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), uno de los más importantes de Europa, el CAPA desarrolla y opera varios detectores diseñados para buscar interacciones muy raras entre partículas de materia oscura y átomos ordinarios. Experimentos como Anais o Trex-DM exploran regiones del espacio de parámetros aún inalcanzadas, con la esperanza de detectar un pequeño destello que delate la presencia de estas partículas.
Detectores del experimento Trex-DM que se encuentra instalado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc.CAPA / Unizar
Pero la materia oscura podría no estar formada por WIMP, las partículas masivas que han centrado las búsquedas experimentales. En los últimos años ha ganado protagonismo otro candidato: los axiones, partículas extremadamente ligeras propuestas inicialmente para resolver un problema teórico de la física de partículas. Actualmente, se consideran una de las alternativas más prometedoras y su búsqueda requiere estrategias muy diferentes. En lugar de esperar colisiones, se intenta convertir axiones en fotones mediante campos magnéticos intensos o resonadores de microondas de altísima sensibilidad.
Diseño del experimento Baby IAXO.IAXO.
En este ámbito, el CAPA tiene un papel destacado. El centro lidera IAXO, el que será el mayor telescopio de axiones del mundo. Su objetivo es detectar posibles axiones procedentes del interior del Sol utilizando imanes superconductores gigantes y detectores de rayos X de gran precisión. Además, el CAPA impulsa desarrollos tecnológicos para nuevos experimentos de laboratorio que podrían explorar zonas del ‘mapa’ de la materia oscura que hasta ahora permanecían fuera de alcance. Recientemente se ha logrado un prestigioso contrato europeo, DarkQuantum para el desarrollo de sensores cuánticos para la detección de axiones de materia oscura.
Estas búsquedas requieren una combinación de ingeniería avanzada, análisis de datos sofisticados y un control exquisito de los fondos experimentales. Cada mejora en sensibilidad, cada nuevo límite experimental, ayuda a estrechar el cerco sobre la naturaleza de la materia oscura.
Aunque sigue siendo invisible, la ciencia avanza paso a paso. Y cuando por fin descubramos de qué está hecha, no solo resolveremos un misterio cósmico: también abriremos una nueva ventana para comprender cómo funciona el universo en sus niveles más profundos.
Tecnología al límite de lo posible
Las preguntas que aborda el Centro de Astropartículas y Física de Altas Energías solo pueden responderse desarrollando tecnología al límite de lo posible. Detectar una señal de materia oscura, por ejemplo, exige medir energías millones de veces menores que las de una radiografía médica o registrar variaciones tan diminutas que cualquier vibración, ruido eléctrico o cambio de temperatura podría ocultarlas.
Para lograrlo, los experimentos deben operar en condiciones extremas: temperaturas cercanas al cero absoluto, campos magnéticos muy estables o entornos donde el ruido sea prácticamente inexistente. Son retos que combinan física fundamental, ingeniería de precisión y una gran dosis de creatividad tecnológica.
Por ello, el instituto apuesta por un modelo de investigación en el que el desarrollo tecnológico y la ciencia avanzan de forma inseparable. Imanes superconductores, sistemas criogénicos capaces de mantener temperaturas extremadamente bajas durante meses, técnicas de reducción de la radiactividad, detectores de ruido ultrabajo y sensores cuánticos forman parte del trabajo cotidiano del CAPA .
Muchas de estas herramientas se diseñan en colaboración con grandes infraestructuras europeas y empresas especializadas, generando conocimiento que impulsa la investigación básica y puede transferirse a otros ámbitos científicos e industriales, desde la medicina hasta la computación cuántica.
Este enfoque permite que Aragón participe en la vanguardia tecnológica internacional y contribuya al diseño de los experimentos que marcarán el futuro de la física fundamental. Al mismo tiempo, refuerza el papel de la región como un espacio capaz de atraer talento, promover innovación y situarse en el mapa global de la ciencia de frontera.
Estudiantes del máster en Física del Universo de la Universidad de Zaragoza, en el túnel del Laboratorio Subterráneo de Canfranc.CAPA / Unizar
Formación y atracción de talento
El CAPA no solo impulsa investigación puntera: también se ha convertido en un motor de formación y atracción de talento científico. En sus laboratorios conviven estudiantes de grado, máster y doctorado que se incorporan desde muy pronto a proyectos reales, aprendiendo a manejar instrumentación avanzada, analizar grandes volúmenes de datos y trabajar en colaboraciones internacionales.
Una de las piezas clave de esta apuesta formativa es el máster en Física del Universo de la Universidad de Zaragoza, estrechamente vinculado a las líneas de investigación del instituto. El programa ofrece a los estudiantes la oportunidad de formarse en física fundamental, astrofísica y cosmología en contacto directo con investigadores en activo y con proyectos que operan en la frontera del conocimiento.
El compromiso del CAPA con la sociedad va más allá de las aulas y los laboratorios. El instituto organiza seminarios, escuelas especializadas, y organiza y participa en actividades de divulgación que acercan la ciencia actual al público general. Con ello, refuerza el papel de la Universidad de Zaragoza y del sistema científico aragonés en el panorama europeo, demostrando que desde Aragón también se contribuye a desentrañar algunas de las grandes preguntas sobre el Universo.
Igor G. Irastorza director del CAPA
Gloria Luzón Subdirectora científica del CAPA
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