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En busca de materia oscura entre los tictac de un reloj atómico

Los relojes atómicos ópticos podrían detectar defectos del tamaño de un planeta  que podría ayudar a explicar la materia oscura.

Se cree que la materia oscura  constituye alrededor de cinco sextos de toda la materia del universo.  Sin embargo, proyectos increíblemente sofisticados —desde el más  poderoso desmenuzador de átomos jamás construido, hasta tanques de xenón  líquido frío— han fracasado en encontrar un rastro de ella. Pero ahora  algunos científicos esperan que los relojes atómicos, los cronómetros  más precisos que existen, puedan ser usados para ayudar a explicar este  fenómeno escurridizo.
 
Muchos físicos creen que la materia oscura es una sustancia invisible  cuyos efectos gravitacionales previstos sobre la materia conocida  ayudarían a explicar una variedad de misterios cósmicos, como por qué  las galaxias pueden girar tan rápido como lo hacen sin separarse. No  obstante, a pesar de su aparente importancia colosal para la propia  estructura del universo, nadie sabe con certeza qué componentes podría  tener o de dónde proviene. A mediados de diciembre un grupo de físicos  en Polonia publicó un estudio en Nature Astronomy que sugiere  que las fluctuaciones en el ritmo al que avanza un reloj atómico podrían  ayudar a revelar cómo puede influir la materia oscura en la materia  conocida.
 
En gran medida, los científicos han descartado todas las partículas  conocidas como posibles explicaciones de la materia oscura. Esto sugiere  que podría comprender una especie de partícula que no entra dentro del  Modelo Estándar de la Física, que es actualmente nuestra mejor  descripción concreta del universo subatómico. Otra posibilidad es que la  materia oscura no esté hecha de partículas; más bien, que sea un área  que impregna el espacio como lo hace la gravedad. Las investigaciones  anteriores indican que las estructuras podrían surgir en ese campo de  materia oscura— “defectos topológicos” con la forma de puntos, cuerdas u  hojas. Estas estructuras podrían haberse formado durante el caos  caliente después del big bang y se congelaron en formas estables cuando  se enfrió el universo temprano.
 
Si la Tierra pasa a través de un defecto topológico como ese —que los  investigadores dicen que, en un inicio, alcanzaría al menos el tamaño  de un planeta— podría provocar cambios detectables mediante algunos de  los instrumentos científicos más precisos que se han construido: los  relojes atómicos. Estas máquinas marcan el tiempo mediante el monitoreo  de los movimientos de los átomos, al igual que los relojes de antaño  dependen de péndulos oscilantes. Los relojes atómicos modernos son tan  precisos que no perderían más de un segundo cada 15.000 millones de  años, más de los 13.800 millones de años que se cree que tiene el  universo.
 
Pasar por un defecto topológico podría hacer que los átomos de un  reloj atómico oscilen temporalmente más rápido o más lento, según un  trabajo previo de los físicos teóricos Andrei Derevianko, de la  Universidad de Nevada (Reno), y Maxim Pospelov, del Instituto Perimeter  para la Física Teórica en Ontario. Según Derevianko y Pospelov, al  observar una red de relojes atómicos sincronizados ubicados lo  suficientemente separados como para que un defecto topológico afecte a  unos pero no a otros, los científicos podrían detectar la existencia de  un defecto topológico y medir algunas de sus propiedades.
 
Pero en el informe de Nature Astronomy, el físico Piotr  Wcisło, de la Universidad Nicolás Copérnico de Polonia, y sus colegas  sugieren que un solo reloj atómico podría ser lo suficientemente  sensible como para arrojar luz sobre la naturaleza de la materia oscura.  Los investigadores analizaron cómo los defectos topológicos podrían  influir en un reloj atómico óptico, que emplea rayos láser visibles para  medir las danzas de los átomos cuando se enlentecen al enfriarlos a  temperaturas cercanas al cero absoluto. El modelo de los investigadores  demuestra que pasar por un defecto en el campo de materia oscura  propuesto podría aumentar o disminuir la intensidad total de la fuerza  electromagnética, lo que a su vez alteraría la manera en que los átomos  responderían a la iluminación.
 
Derevianko y Pospelov habían demostrado que al menos dos relojes  atómicos serían necesarios para detectar los efectos de un defecto  topológico. Según este modelo, “si queremos ver que un reloj está  marcando más rápido o más lento necesitamos tener algún otro reloj que  sirva de referencia”, dice Wcisło. Pero en cambio, este experto y sus  colegas sugieren que podría funcionar si se observan dos elementos en un  único reloj atómico óptico: sus átomos vibrantes superenfriados y la  cámara en la que el láser identifica la frecuencia a la que vibran esos  átomos. Pasar a través de un defecto topológico podría causar cambios  medibles en las frecuencias tanto de los átomos vibrantes como del láser  dentro de la cámara.
 
Wcisło y sus colegas probaron su idea con experimentos usando relojes  atómicos ópticos. Respecto a trabajos anteriores, sus hallazgos  refinaron en más de mil veces los límites previos para la fuerza de  cualquier interacción entre los átomos y los defectos topológicos. Si  los relojes atómicos ópticos detectaran cualquier signo de defectos  topológicos “podría dar respuestas a algunas de las preguntas  fundamentales de la física moderna, como la naturaleza de la materia  oscura, la relación entre el Modelo Estándar y la gravedad o si las  constantes fundamentales son realmente constantes”, dice Wcisło.
 
Aunque estos hallazgos sugieren que un solo reloj podría ayudar a  detectar defectos topológicos, Derevianko opina que las redes de relojes  atómicos aún  pueden arrojar luz sobre otros aspectos de esta probable  explicación de la materia oscura, como los posibles tamaños de estos  defectos hipotéticos. Derevianko calcula que a medida que el sistema  solar gira en torno al centro de la Vía Láctea a unos 300 kilómetros por  segundo, pasar por un defecto topológico del tamaño de la Tierra podría  influir en una red intercontinental de relojes atómicos durante unos 30  segundos.
 
Ya existen varias redes de relojes atómicos, incluyendo las de  rubidio y cesio que hay a bordo de los satélites del Sistema de  Posicionamiento Global (GPS). “Estamos dañando una década de datos de  archivo de un reloj GPS para buscar señales de materia oscura”, dice  Derevianko. “Esencialmente, estamos usando el GPS como el detector de  materia oscura más grande que existe”.
 
Sin embargo, estos relojes satelitales están rezagados con respecto a  los relojes atómicos ópticos de laboratorio de última generación.  Wcisło observa que los hallazgos de su equipo muestran que los mejores  relojes atómicos pueden unirse para formar un gigantesco observatorio de  materia oscura sin necesidad de contar con conexiones de fibra óptica  de miles de kilómetros de longitud, como se pensaba anteriormente.  “Nuestro enfoque hace posible la idea de construir una red global de  detectores de ese tipo sin nuevos desarrollos de aparatos  experimentales”, añade.
Fuente: scientificamerican.com
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