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Átomos gigantes

Un experimento explorará la materia oscura llevando átomos a estados de superposición separados por distancias macroscópicas.

Prototipo de la cámara de vacío que servirá para atrapar y enfriar los átomos de estroncio
en el experimento MAGIS-100. [TIMOTHY ARCHIBALD]

Los investigadores se preparan para escudriñar la naturaleza a pequeñas distancias «estirando» átomos ultrafríos hasta escalas macroscópicas mientras los dejan caer por un tubo de vacío de 100 metros. Aprovechando las propiedades ondulatorias de los átomos, el experimento buscará posibles señales de la elusiva materia oscura y, en un futuro, ondas gravitacionales de nuevas frecuencias.

Científicos de ocho instituciones han unido sus esfuerzos para convertir el pozo de una mina de Illinois en el interferómetro atómico más grande del mundo: el Sensor Interferométrico de Gradiómetro Atómico de Ondas de Materia (MAGIS-100). Tras completar la fase de diseño, los investigadores pretenden montar el instrumento en 2021 y, poco después, comenzar a usar los láseres para inducir estados de superposición en átomos de estroncio y separarlos a grandes distancias. «En el verano de 2021 es cuando las cosas empezarán a ponerse verdaderamente interesantes», afirma Rob Plunkett, investigador principal del proyecto en el Fermilab, el laboratorio que acogerá el experimento.

Con un total de 12,3 millones de dólares entre fondos privados y públicos, el proyecto se suma a toda una serie de investigaciones de precisión que tratan de llenar el vacío existente entre los pequeños experimentos de sobremesa desarrollados en una única universidad y los proyectos de varios decenios y miles de millones de dólares como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) o el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO). Para explorar el gran abanico de masas y propiedades que podría tener la materia oscura «[también] se necesitan proyectos a pequeña escala: no puedes jugártelo todo a una carta», sostiene Asimina Arvanitaki, investigadora del Instituto Perimeter de Física Teórica en Ontario que no participa en MAGIS-100.

En el experimento se manipularán átomos en caída libre con láseres. Un pulso láser puede interaccionar con un átomo individual e inducir en él una superposición de estados cuánticos, correspondientes a haber absorbido o no la energía del láser. Esto recuerda al célebre gato de Schrödinger, que se encuentra en una mezcla de los estados «vivo» y «muerto». Según la mecánica cuántica, todo lo que hay en la naturaleza, desde un fotón a una bola de beisbol, tiene propiedades ondulatorias, aunque estas sean imperceptibles en los objetos grandes. Cuando los láseres de MAGIS exciten un átomo de la manera adecuada, su naturaleza ondulatoria le permitirá «extenderse en el espacio» (es decir, adoptar una superposición de estados de movimiento caracterizados por una separación espacial macroscópica), con la componente excitada de la onda atómica (la que absorbe la energía del láser) desplazándose a mayor velocidad.

Un prototipo de MAGIS de 10 metros de altura ubicado en la Universidad Stanford (y que actualmente es uno de los mayores instrumentos de este tipo) ha batido un récord al producir separaciones de más de medio metro entre los estados. La instalación del Fermilab debería alcanzar varios metros. A medida que los átomos bajan por el pozo, un segundo pulso láser recombinará la componente excitada de cada onda atómica con su compañera más lenta. Midiendo la interferencia entre ambas, los investigadores podrán establecer con precisión la aceleración del átomo que cae. Dado que los átomos estarán en caída libre durante todo el proceso, las vibraciones producidas por terremotos o por camiones que circulen en las inmediaciones apenas deberían afectar a las medidas.

MAGIS-100 dejará caer simultáneamente un millón de estas ondas atómicas a lo largo de las secciones superior e inferior del pozo. Analizando aún más patrones de interferencia —comparando los de las nubes superior e inferior de átomos— el aparato será capaz de detectar minúsculas discrepancias con las leyes físicas conocidas a lo largo de todo el instrumento. Por ejemplo, cualquier pequeña diferencia en la manera en que caen las ondas atómicas podría revelar la presencia de partículas desconocidas en el espacio a través del que viajaron. «Cuanto más tiempo dure la caída [de los átomos], más precisa será la medida», afirma el físico de Stanford Jason Hogan, que contribuyó al desarrollo del prototipo.

La materia oscura, que parece constituir alrededor del 80 por ciento de la materia del universo pero no puede detectarse por métodos habituales, podría producir efectos medibles en este experimento. La mayoría de los proyectos de detección de materia oscura han buscado las llamadas partículas masivas que interaccionan débilmente (WIMP), un tipo de partículas pesadas predichas por la teoría. Pero, dado que no han aparecido, empiezan a considerarse otras alternativas.

Entre los numerosos modelos de materia oscura, las partículas ultraligeras —que según Plunkett constituyen «todo un continente inexplorado»— están cobrando fuerza. Estos objetos fantasmales podrían influir de diversas maneras en las partículas conocidas, según Surjeet Rajendran, físico teórico de la Universidad Johns Hopkins y colaborador de MAGIS. El aparato MAGIS-100 debería ser capaz de detectar dos efectos producidos por estas partículas, que podrían ser mil trillones de veces más ligeras que el electrón: variaciones en el valor de las constantes fundamentales y perturbaciones producidas por una quinta fuerza aún desconocida. MAGIS sería entre cientos y miles de veces más sensible a estos cambios que los instrumentos actuales.

Mientras algunos investigadores prefieren buscar partículas con propiedades concretas predichas por la teoría, otros optan por tender la red más amplia que permita la tecnología. Los aceleradores de partículas ya han explorado minuciosamente el dominio de las partículas pesadas y con interacciones intensas. A pesar de ello, al modelo estándar de la física de partículas parecen faltarle aún algunas piezas cruciales. Gray Rybka, físico de la Universidad de Washington que no participa en MAGIS, señala que «existe la sensación de que realizar un descubrimiento en el intervalo de masas más bajas podría resultar más sencillo». Y añade que el número de científicos que comparten esa opinión «no ha dejado de multiplicarse en la última década».

Aun sin saber exactamente qué está buscando, MAGIS «ampliará notablemente el alcance de los experimentos actuales», asegura Arvanitaki.

E incluso si la materia oscura resultase invisible para MAGIS-100, el aparato también puede realizar avances en el campo de las ondas gravitacionales. Aunque no será capaz de detectarlas por sí mismo, servirá para poner a prueba y desarrollar la tecnología que se usará en una futura versión del experimento, la cual podrá registrar pequeñas perturbaciones espaciales al dejar caer nubes de átomos separadas por un kilómetro. Este método podría medir ondas gravitacionales con frecuencias demasiado bajas para LIGO y demasiado altas para el futuro detector espacial LISA (Antena Espacial de Interferometría Láser), como las producidas por los agujeros negros y las estrellas de neutrones tiempo antes de chocar. Un hipotético proyecto «MAGIS-1000» sería capaz de proporcionar a los telescopios alertas tempranas de tales colisiones.

Por ahora, los investigadores esperan que MAGIS-100 les permita abrir una nueva vía de acceso al mundo de la materia oscura ultraligera. Tim Kovachy, físico de la Universidad del Noroeste que trabaja en el sistema láser del experimento, indica que «hay que hacer todo lo posible. Estamos muy motivados para no dejar un rincón sin explorar».

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