Los científicos están utilizando relojes atómicos para investigar en un laboratorio algunos de los mayores misterios del universo, incluida la naturaleza de la materia oscura. En el proceso, dicen que están trayendo la cosmología y la astrofísica «a la Tierra».
El proyecto, que es una colaboración entre la Universidad de Sussex y el Laboratorio Nacional de Física (NPL) del Reino Unido, utiliza los tictac de estos relojes increíblemente precisos para buscar partículas ultraligeras hasta ahora desconocidas.
Estas partículas podrían estar relacionadas con la materia oscura, la misteriosa sustancia que constituye aproximadamente el 85% de toda la materia del universo pero que permanece efectivamente invisible para nosotros porque no interactúa con la luz o, más precisamente, con la radiación electromagnética. Los científicos creen que la mayoría de las galaxias están envueltas por una nube de materia oscura, pero su presencia sólo puede inferirse por el efecto que tiene sobre la gravedad.
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«Nuestro universo, tal como lo conocemos, se rige por las leyes de la física, por lo que la gravedad se rige por la relatividad general y la física de partículas por el Modelo Estándar de física de partículas», explica Xavier Calmet, líder del proyecto y profesor de física en la Universidad de Sussex. , dijo a Space.com. «A las desviaciones de estas leyes las llamamos ‘fallo de la física’; básicamente, es sinónimo de nueva física más allá de nuestra comprensión actual del universo».
Esta nueva física podría usarse para explicar la naturaleza de la materia oscura, algo que no encaja en el Modelo Estándar.
«Uno de los mayores misterios es la naturaleza de la materia oscura. Sabemos que está ahí fuera, vemos su impacto en nuestro universo, pero no tenemos una explicación válida dentro del modelo estándar de física de partículas», continuó Calmet. «Debe haber nueva física, pero no sabemos cómo describir estas nuevas partículas y cómo se acoplan a la materia normal».
¿Cómo se puede detectar la ‘nueva física’ con los relojes atómicos?
Según las leyes físicas establecidas, los relojes deberían funcionar a un ritmo constante, pero la física más allá del alcance del Modelo Estándar daría como resultado pequeñas cargas en los niveles de energía atómica. Esto debería afectar la velocidad a la que funcionan los relojes, pero la variación sería tan pequeña que sólo podría detectarse con un reloj increíblemente preciso, y ahí es donde entran los relojes atómicos.
«Los relojes atómicos acercan la cosmología y la astrofísica a la Tierra, permitiendo la búsqueda de partículas ultraligeras que podrían explicar la materia oscura en un laboratorio», dijo Calmet.
Los relojes atómicos miden el tiempo utilizando átomos con dos estados de energía potencial. Cuando los átomos absorben energía, pasan a un estado de mayor energía. Luego, finalmente liberan esta energía y vuelven a caer a su estado fundamental inferior.
En los relojes atómicos, los grupos de átomos se preparan colocándolos en un estado de mayor energía utilizando energía de microondas, y las velocidades características y consistentes a las que vibran entre estados (sus frecuencias de resonancia) se utilizan para medir el tiempo con precisión.
Así, por ejemplo, todos los átomos de cesio resuenan a la misma frecuencia, lo que significa que la medida estándar de un segundo se puede definir como 9.192.631.770 ciclos de cesio. Debido a que este ciclo por segundo ocurre con mucha menos variación que, digamos, la oscilación de un péndulo, esto hace que los relojes atómicos sean increíblemente precisos.
«Recientemente se ha descubierto que la materia oscura podría estar formada por partículas ultraligeras que interactúan extremadamente débilmente con la materia normal», explicó Calmet. «Si ese es el caso, la materia oscura se comportaría esencialmente como una onda clásica que interactúa con electrones y protones. Esta onda de materia oscura daría algunos pequeños impulsos a estas partículas».
Calmet agregó que estas partículas ultraligeras de materia oscura que golpean los bloques de construcción del átomo conducirían a una variación temporal en las constantes fundamentales del universo, como la constante de estructura fina o «alfa», una medida de cuán fuertes se acoplan las partículas. a través de la fuerza electromagnética y la masa del protón.
«Dado que los relojes atómicos son dispositivos sorprendentemente precisos, podrían detectar estos impulsos y así descubrir la materia oscura ultraligera», continuó. «Al comparar dos relojes, uno sensible a los cambios en alfa y el otro menos sensible a los cambios en alfa, podemos obtener un límite en la variación temporal de esta constante fundamental y así establecer restricciones para las partículas ultraligeras».
Calmet cree que la técnica también podría usarse para investigar otro aspecto problemático del universo para los físicos: la energía oscura, la fuerza desconocida que impulsa la expansión acelerada del espacio.
Si bien Calmet reconoce que es más probable que la energía oscura se explique por la constante cosmológica, una forma de energía que actúa casi en oposición a la gravedad para estirar la estructura del espacio y separar las galaxias, existe una pequeña posibilidad de que pueda estar conectada a una energía oscura. partícula de luz. En este sentido, los relojes futuros también podrían ser sensibles a esa partícula y su onda asociada.
«Si bien los relojes no han descubierto nueva física en esta etapa, pudimos desarrollar un nuevo marco teórico para probar nueva física genérica con relojes y pudimos derivar los primeros límites de la física independientes del modelo más allá del modelo estándar dentro de este enfoque. » concluyó Calmet. «Estamos creando un nuevo campo en la interfaz de la física atómica, molecular y óptica y la física de partículas tradicional.
«¡Estos son resultados emocionantes!»
Los resultados se publicarán en una edición futura del New Journal of Physics.
