En esta fotografía se pueden ver agrupaciones de aproximadamente diez mil átomos de cesio flotando en una cámara de vacío, levitados por rayos láser cruzados que crean una red óptica estable. Arriba se ve un peso cilíndrico de tungsteno y su soporte. Créditos: Cristian Panda, UC Berkeley
Érase una vez, para estudiar la gravedad, bastaba con dejar caer algún objeto desde arriba, como en el caso del famoso experimento, atribuido a Galileo, de la caída de cuerpos pesados desde la Torre de Pisa. Hoy en día, las preguntas fundamentales de la física que aún quedan sin respuesta -y hay muchas- en torno a esta que sigue siendo la más irreductible de las fuerzas, la única que todavía se resiste a una teoría del todo, requieren experimentos enormemente más complejos. Experimentos como el preparado por un equipo de físicos de la Universidad de California, Berkeley, reportados esta semana en las páginas de Naturaleza, para buscar pequeñas desviaciones de la teoría de la gravedad comúnmente aceptada. Desviaciones que, de encontrarse, podrían ofrecer pistas, por ejemplo, para comprender mejor la naturaleza de la energía oscura. Aunque los investigadores no encontraron ninguna desviación de la teoría de la gravedad de Newton, las mejoras esperadas en la precisión del experimento prometen descubrir evidencia para apoyar – o refutar – teorías como la de una hipotética “quinta fuerza” mediada por partículas, la llamada “camaleón”. , o “simetrones”, candidatos para explicar la energía oscura.
El experimento, realizado a raíz de otros análogos sobre los que ya hemos escrito Media Inaf, combina un interferómetro atómico, que permite medir con precisión la gravedad, con una red óptica capaz de mantener en posición pequeños grupos de átomos -en este caso, grupos de unos diez mil átomos de cesio-, enfriarlos y atraparlos con un sistema de rayos láser, durante tiempos relativamente largos, hasta 70 segundos. Permitiéndonos así llegar a una medida de la atracción gravitatoria ejercida sobre los átomos por una pequeña masa -un cilindro de tungsteno- cinco veces más precisa que las mejores disponibles actualmente.
Representación esquemática del experimento realizado en UC Berkeley. Se inmovilizaron pequeños grupos de átomos de cesio (en rosa) en una cámara de vacío vertical, luego cada átomo se dividió en dos paquetes de ondas (en blanco y azul claro) de modo que se encontraron en una superposición cuántica de dos “alturas”, la superior “la mitad” (en blanco) más cercana a la masa de tungsteno (el cilindro brillante) y la otra “mitad” (en azul claro) más abajo. Cuando los paquetes de ondas se recombinan dan lugar a interferencias que permiten medir la diferencia de atracción gravitacional entre las dos “mitades”. Créditos: Cristian Panda/UC Berkeley
pero como funciona? «En una primera fase, los átomos de cesio se enfrían con luz láser a una temperatura cercana al cero absoluto y se atrapan en “agujeros” luminosos cerca de un pequeño cilindro de tungsteno», explica a Media Inaf uno de los coautores del estudio, Guglielmo María Tino de la Universidad de Florencia. «A continuación se crea un interferómetro atómico: cada átomo es llevado durante unos segundos a un estado cuántico en el que se encuentra simultáneamente en dos posiciones diferentes en las que los valores del campo gravitacional generado por la masa fuente son diferentes. Cuando las dos partes se vuelven a superponer, se observa un efecto de interferencia cuántica, a partir del cual se puede medir la atracción gravitacional que ejerce la masa de tungsteno sobre los átomos.”
«En comparación con experimentos anteriores basados en la interferometría atómica para el estudio de los efectos gravitacionales, como los realizados por mi grupo en Florencia desde hace unos veinte años, la particularidad de este trabajo», continúa Tino, «está en la pequeña masa de la fuente utilizada, incluyendo la necesidad de optimizar la sensibilidad del interferómetro atómico controlando al mismo tiempo posibles efectos sistemáticos”.
El objetivo principal de estos experimentos, como decíamos, es buscar respuestas a los grandes problemas no resueltos de la física fundamental, desde la naturaleza de la energía oscura hasta la búsqueda de una formulación cuántica de la gravedad. “La mayoría de los teóricos coinciden en que la gravedad es cuántica, pero nadie ha observado nunca una firma experimental al respecto”, recuerda al respecto otro de los autores del estudio, Holger Müller de la Universidad de Berkeley. “Si pudiéramos retener nuestros átomos 20 o 30 veces más que nunca antes, tendríamos entre 400 y 800 mil veces más probabilidades de encontrar evidencia de que la gravedad es realmente cuántica”.
El interferómetro de rejilla atómica también se puede utilizar, como sensor cuántico, para aplicaciones más “cotidianas” que requieren mediciones precisas de la gravedad. «La interferometría atómica es particularmente sensible a la gravedad o a los efectos de la inercia. Es posible aprovecharlo para construir giroscopios y acelerómetros”, subraya el primer autor del estudio, Cristian Panda, por UC Berkeley. “Esto da una nueva dirección a la interferometría atómica, donde la detección cuántica de la gravedad, la aceleración y la rotación podría llevarse a cabo con átomos mantenidos gracias a redes ópticas en una estructura compacta que resiste las imperfecciones ambientales o el ruido”.
«Estos dispositivos», concluye Tino, «podrían utilizarse, por ejemplo, en la búsqueda de cavidades subterráneas y recursos minerales, en la vigilancia de volcanes activos y en el estudio de terremotos».
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