Un instrumento de precisión refuerza la cacería de la escurridiza energía oscura

Un experimento atrapa átomos en caída libre para buscar anomalías gravitacionales causadas por la energía desaparecida del universo.

Por Robert Sanders

En esta fotografía se aprecian grupos de unos 10.000 átomos de cesio flotando en una cámara de vacío, levitados por rayos láser cruzados que crean una red óptica estable. En la parte superior se ve un peso cilíndrico de tungsteno y su soporte. Crédito: Cristian Panda, UC Berkeley

La energía oscura, una fuerza misteriosa que separa el universo a un ritmo cada vez mayor, se descubrió hace veintiséis años, y desde entonces los científicos han estado buscando una partícula nueva y exótica que cause la expansión.

Empujando los límites de esta búsqueda, los físicos de la Universidad de California en Berkeley, en Estados Unidos, han construido el experimento más preciso hasta ahora para buscar desviaciones menores de la teoría aceptada de la gravedad que podrían evidenciarla existencia de tal partícula, que los teóricos han denominado camaleón o simetrón.

El experimento, que combina un interferómetro atómico para medir la gravedad con precisión y una red óptica para mantener los átomos en su sitio, permitió a los investigadores inmovilizar átomos en caída libre durante segundos en lugar de milisegundos para buscar efectos gravitatorios, superando así en cinco veces la medición más precisa realizada hasta ahora.

Una hipotética quinta fuerza mediada por camaleones o simetrones

Aunque los investigadores no encontraron ninguna desviación de lo predicho por la teoría enunciada por Isaac Newton hace cuatrocientos años, las mejoras esperadas en la precisión del experimento podrían acabar aportando pruebas que apoyen o refuten la hipotética existencia de una quinta fuerza mediada por camaleones o simetrones.

Según Holger Müller, catedrático de Física de la Universidad de Berkeley, la capacidad del interferómetro de retícula para retener átomos durante setenta segundos —y potencialmente hasta diez veces más— también abre la posibilidad de estudiar la gravedad a nivel cuántico. Aunque los físicos disponen de teorías bien contrastadas que describen la naturaleza cuántica de tres de las cuatro fuerzas de la naturaleza -el electromagnetismo y las fuerzas fuerte y débil-, nunca se ha demostrado la naturaleza cuántica de la gravedad.

"La mayoría de los teóricos están tal vez de acuerdo en que la gravedad es cuántica. Pero nadie ha visto nunca una firma experimental de ello —afirma Müller. Y añade—: Es muy difícil saber siquiera si la gravedad es cuántica, pero si pudiéramos mantener nuestros átomos veinte o treinta veces más tiempo que nadie, porque nuestra sensibilidad aumenta con la segunda o cuarta potencia del tiempo de mantenimiento, podríamos tener entre 400 y 800.000 veces más posibilidades de encontrar una prueba experimental de que la gravedad se rige por la mecánica cuántica."

Los físicos de la Universidad de California en Berkeley inmovilizaron pequeños grupos de átomos de cesio (manchas rosas) en una cámara de vacío vertical, y luego dividieron cada átomo en un estado cuántico en el que la mitad del átomo estaba más cerca de una pesa de tungsteno (cilindro brillante) que de la otra mitad (esferas divididas debajo del tungsteno). Al medir la diferencia de fase entre las dos mitades de la función de onda atómica, pudieron calcular la diferencia en la atracción gravitacional entre las dos partes del átomo, que coincidía con lo que se espera de la gravedad newtoniana. Cortesía: Cristian Panda/UC Berkeley

Aparte de las mediciones de precisión de la gravedad, el interferómetro atómicotiene otras aplicaciones, como es la detección cuántica.

"La interferometría atómica es especialmente sensible a la gravedad o a los efectos inerciales. Se pueden construir giroscopios y acelerómetros —explica Cristian Panda, becario de la UC Berkeley y primer autor de un artículo sobre las mediciones de la gravedad que se publican en la revista Nature y del que es coautor Müller. Y añade—: Pero esto da una nueva dirección a la interferometría atómica, donde la detección cuántica de la gravedad, la aceleración y la rotación podría hacerse con átomos mantenidos en celdas ópticas, en un paquete compacto, que es resistente a las imperfecciones ambientales o al ruido".

Dado que el entramado óptico mantiene los átomos rígidamente en su sitio, el interferómetro atómico podría funcionar incluso en el mar, donde se emplean mediciones sensibles de la gravedad para cartografiar la geología del fondo oceánico.

La energía oscura podría no ser otra cosa que la energía del vacío del espacio

La energía oscura fue descubierta en 1998 por dos equipos de científicos: un grupo de físicos con sede en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, dirigido por Saul Perlmutter, ahora profesor de física de la Universidad de California en Berkeley;y un grupo de astrónomos que incluía a Adam Riess, becario postdoctoral de la Universidad de California en Berkeley. Los dos compartieron el Premio Nobel de Física 2011 por el descubrimiento.

La idea de que el universo se estaba expandiendo más rápidamente de lo que debería provino del seguimiento de supernovas distantes y su uso para medir distancias cósmicas. A pesar de la gran especulación de los teóricos sobre lo que realmente está separando el espacio, la energía oscura sigue siendo un enigma, un gran enigma, ya que aproximadamente el 70% de toda la materia y energía del universo está en forma de energía oscura.

Una teoría es que la energía oscura no es más que la energía del vacío del espacio. Otra es que se trata de un campo de energía llamado quintaesencia, que varía con el tiempo y el espacio.

Imagen conceptual de la expansión del universo. La idea de que este se está expandiendo más rápidamente de lo que debería provino del seguimiento de supernovas distantes y su uso para medir distancias cósmicas.

Otra propuesta es que la energía oscura es una quinta fuerza mucho más débil que la gravedad , que viene mediada por una partícula que ejerce una fuerza repulsiva que varía con la densidad de la materia circundante. En el vacío del espacio, ejercería una fuerza repulsiva a grandes distancias, capaz de separar el espacio. En un laboratorio en la Tierra, con materia a su alrededor para protegerla, la partícula tendría un alcance extremadamente pequeño.

Esta partícula ha sido bautizada como camaleón, como si se escondiera a plena vista ante nuestros ojos.

En 2015, Müller se hizo con un interferómetro atómico para buscar indicios de camaleones utilizando átomos de cesio lanzados a una cámara de vacío, que imita el vacío del espacio. Durante los 10 a 20 milisegundos que tardaron los átomos en subir y bajar por encima de una pesada esfera de aluminio, él y su equipo no detectaron ninguna desviación de lo que cabría esperar de la atracción gravitatoria normal de la esfera y la Tierra.

La interferometría atómica es el arte y la ciencia de usar las propiedades cuánticas de una partícula

La clave del uso de átomos en caída libre para probar la gravedad es la capacidad de excitar cada átomo en una superposición cuántica de dos estados, cada uno con un momento ligeramente distinto que los lleva a distancias diferentes de un pesado peso de tungsteno que cuelga por encima. El estado de mayor momento y mayor elevación experimenta más atracción gravitatoria hacia el tungsteno, cambiando su fase. Cuando la función de onda del átomo colapsa, la diferencia de fase entre las dos partes de la onda de materia revela la diferencia de atracción gravitatoria entre ellas.

"La interferometría atómica es el arte y la ciencia de utilizar las propiedades cuánticas de una partícula, es decir, el hecho de que sea a la vez una partícula y una onda. Dividimos la onda de forma que la partícula tome dos caminos al mismo tiempo y luego los interferimos al final —explica Müller. Y continúa—: Las ondas pueden estar en fase y sumarse, o pueden estar desfasadas y anularse mutuamente. El truco está en que el hecho de que estén en fase o desfasadas depende muy sensiblemente de algunas magnitudes que se quieran medir, como la aceleración, la gravedad, la rotación y las constantes fundamentales".

En 2019, Müller y sus colegas agregaron una red óptica para mantener los átomos cerca del peso del tungsteno durante mucho más tiempo, unos asombrosos veinte segundos, para aumentar el efecto de la gravedad en la fase. La red óptica emplea dos rayos láser cruzados que crean una matriz similar a una red de lugares estables para que los átomos se congreguen y leviten en el vacío. Pero, ¿eran los veinte segundos el límite?, se preguntó Müller.

Setenta segundos de retención

Durante el apogeo de la pandemia de la covid-19, Panda trabajó incansablemente para extender el tiempo de espera, y fijó de forma sistemática una lista de cuarenta posibles obstáculos hasta establecer que la inclinación ondulante del rayo láser, causada por las vibraciones, era una limitación importante.

Al estabilizar el haz dentro de una cámara resonante y ajustar la temperatura para que fuera un poco más fría, en este caso menos de una millonésima parte de un Kelvin por encima del cero absoluto, o mil millones de veces más fría que la temperatura ambiente, pudo extender el tiempo de retención a setenta segundos.

Él y Müller publicaron esos resultados en la revista Nature Physics.

Una red óptica atrapa grupos de átomos (discos azules) en una matriz regular para que puedan estudiarse durante más de un minuto dentro de un interferómetro de átomos de red. Los átomos individuales (puntos azules) se colocan en una superposición espacial cuántica, es decir, en dos capas de la red a la vez, indicadas por las bandas amarillas alargadas. Cortesía: Sarah Davis

Entrelazamiento gravitatorio

En el nuevo experimento gravitatorio, Panda y Müller cambiaron un tiempo más corto —dos segundos— por una mayor separación de los paquetes de ondas hasta varias micras e inclusovarias milésimas de milímetro. Hay unos 10.000 átomos de cesio en la cámara de vacío para cada experimento —demasiado dispersos para interactuar entre sí—, dispersados por la red óptica en nubes de unos diez átomos cada una.

"La gravedad intenta empujarlos hacia abajo con una fuerza mil millones de veces superior a la atracción que ejerce sobre la masa de tungsteno, pero la red óptica ejerce una fuerza restauradora que los sujeta, como si fuera una repisa —explica Panda. Y añade—: A continuación, tomamos cada átomo y lo dividimos en dos paquetes de ondas, por lo que ahora está en una superposición de dos alturas. Y luego cogemos cada uno de esos dos paquetes de ondas y los cargamos en una estantería separada, para que parezca un armario. Cuando apagamos la red óptica, los paquetes de ondas se recombinan y se puede leer toda la información cuántica adquirida durante la retención".

Panda planea construir su propio interferómetro reticular en la Universidad de Arizona, donde acaba de ser nombrado profesor adjunto de Física. Espera utilizarlo, entre otras cosas, para medir con mayor precisión la constante gravitatoria que relaciona la fuerza de gravedad con la masa.

Mientras tanto, Müller y su equipo están construyendo desde cero un nuevo interferómetro de este tipo con un mejor control de las vibraciones y una temperatura más baja. El nuevo dispositivo podría producir resultados cien veces mejores que el experimento actual, lo bastante sensibles como para detectar las propiedades cuánticas de la gravedad.

El experimento previsto para detectar el entrelazamiento gravitacional, si tiene éxito, sería similar a la primera demostración del entrelazamiento cuántico de fotones realizada en la Universidad de Berkeley en 1972 por el difunto Stuart Freedman y el antiguo becario postdoctoral John Clauser. Clauser compartió el Premio Nobel de Física de 2022 por ese trabajo. ▪️

• Información facilitada por la Universidad de California en Berkeley -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones

• Fuente: Panda, C.D., Tao, M.J., Ceja, M. et al. Measuring gravitational attraction with a lattice atom interferometer. Nature (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07561-3