La mafia de dispositivos relacionados con la salud impulsa los esfuerzos para encontrar energía oscura

Superando los límites de esta búsqueda, físicos de la Universidad de California, Berkeley, han creado el experimento más preciso hasta el momento para detectar la más mínima desviación de la teoría aceptada de la gravedad que podría ser evidencia de una partícula a la que los teóricos han dado el nombre de Camaleón o Simetron.

El experimento, que combina un interferómetro atómico para medir con precisión la gravedad y mantener los átomos en su lugar, permitió a los investigadores hacer vibrar los átomos en caída libre durante segundos en lugar de milisegundos para observar los efectos gravitacionales permitidos, lo que hace que la medición actual sea más precisa. Un factor de cinco

Aunque los investigadores no encontraron desviaciones de las predicciones de la teoría de los hechizos de Isaac Newton hace 400 años, la mejora esperada en la precisión del experimento puede eventualmente arrojar evidencia de que las teorías hipotéticas de la quinta fuerza están mediadas por camaleones o simetrones. .

La capacidad del interferómetro de átomos reticulares para retener átomos durante 70 segundos (y posiblemente 10 veces más) también abre la posibilidad de sondear la gravedad a nivel cuántico, dijo Holger Muller, profesor de física de UC Berkeley. Si bien los físicos han probado exhaustivamente las teorías que explican la naturaleza cuántica de tres de las cuatro fuerzas de la naturaleza (el electromagnetismo y las fuerzas fuerte y débil), la naturaleza cuántica de la gravedad nunca ha sido demostrada.

“La mayoría de los teóricos probablemente estén de acuerdo en que la gravedad es cuántica, pero nadie ha visto una firma experimental”, dijo Müller. “También es muy difícil saber si la gravedad es cuántica o no, pero si podemos retener nuestros átomos 20 o 30 veces más que cualquier otra persona, porque nuestra sensibilidad aumenta con la segunda o cuarta potencia del tiempo de retención, entonces podríamos tener 400 a 800.000. Hay muchas más posibilidades de encontrar evidencia experimental de que la gravedad es realmente mecánica cuántica”.

Además de las mediciones precisas de la gravedad, otras aplicaciones de los interferómetros de átomos reticulares incluyen la detección cuántica.

“La interferometría atómica es particularmente sensible a la gravedad o a los efectos de la inercia. Se pueden construir giroscopios y acelerómetros”, dijo Christian Panda, becario postdoctoral de UC Berkeley que publicó por primera vez un artículo sobre la medición de la gravedad. Los autores aparecerán en la revista esta semana. La naturaleza y es coautor de Muller. “Pero abre una nueva dirección en la interferometría atómica, donde la detección cuántica de la gravedad, la aceleración y la rotación se puede realizar con átomos colocados en redes ópticas en un paquete compacto que es resistente a las imperfecciones ambientales o al ruido”.

Debido a que la red óptica mantiene los átomos rígidamente en su lugar, el interferómetro de átomos de la red también puede funcionar en el océano, donde se utilizan mediciones sensibles de la gravedad para mapear la geología del fondo del océano.

Las fuerzas protegidas pueden esconderse a simple vista.

La energía oscura fue descubierta en 1998 por dos equipos de científicos: un grupo de físicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, dirigido por Saul Perlmutter, ahora profesor de física de UC Berkeley, y un grupo de astrónomos que incluía al becario postdoctoral de UC Berkeley. . Los dos compartieron el Premio Nobel de Física de 2011 por este descubrimiento.

La comprensión de que el universo se está expandiendo más rápido de lo que debería se debe al seguimiento de supernovas distantes y su uso para medir distancias cósmicas. A pesar de muchas especulaciones por parte de los teóricos sobre lo que realmente impulsa el universo, la energía oscura sigue siendo un misterio, un gran misterio, ya que alrededor del 70 por ciento de la materia y la energía del universo es una forma de energía oscura.

Una teoría es que la energía oscura es simplemente la energía del vacío del espacio. La segunda es que se trata de un campo energético llamado quintaesencia, que varía con el tiempo y el espacio.

Otra propuesta es que la energía oscura es una quinta fuerza mucho más débil que la gravedad y está mediada por una partícula que ejerce una fuerza radiativa que varía con la densidad de la materia circundante. En el vacío del espacio, ejercería una fuerza repulsiva a largas distancias, capaz de destrozar el espacio. En un laboratorio en la Tierra, con materia alrededor para protegerla, la partícula tendría muy poca penetración.

Esta partícula ha sido bautizada como camaleón, como si estuviera oculta a plena vista.

En 2015, Müller adaptó un interferómetro atómico para buscar evidencia camaleónica de átomos de cesio introducidos en una cámara de vacío, que imita el vacío del espacio. Durante los 10 a 20 milisegundos que tardaron los átomos en subir y bajar de una pesada esfera de aluminio, él y su equipo no encontraron ninguna desviación de lo que se esperaría de la atracción gravitacional normal de la esfera y la Tierra.

La clave para utilizar átomos en caída libre para probar la gravedad es la capacidad de inducir a cada átomo a una superposición cuántica de dos estados, cada uno con velocidades ligeramente diferentes que los impulsarían a diferentes distancias de un pesado peso de tungsteno suspendido encima. El estado de alta velocidad y gran altitud experimenta una mayor atracción gravitacional hacia el tungsteno, cambiando su fase. Cuando la función de onda atómica se rompe, la diferencia de fase entre las dos partes de la onda de materia representa la diferencia en la atracción gravitacional entre ellas.

“La interferometría atómica es el arte y la ciencia de explotar las propiedades cuánticas de una partícula, es decir, el hecho de que es a la vez partícula y onda. Dividimos la onda para que la partícula tome dos caminos al mismo tiempo y luego finalmente intervenimos en ellos”, dijo Mueller. “Las ondas pueden estar en fase y sumar, o pueden estar desfasadas y cancelarse entre sí. El truco es si están en fase o desfasadas, eso es muy sensible. Depende de la cantidad que desees. medir, como la aceleración, la gravedad, la rotación o la constante fundamental.”

En 2019, Müller y sus colegas agregaron una red óptica para mantener los átomos cerca del peso de tungsteno durante más tiempo (la asombrosa cifra de 20 segundos) para mejorar el efecto de la gravedad en el escenario. Una red óptica utiliza dos rayos láser cruzados para crear una red de sitios estables para la acumulación de átomos, que levitan en el espacio. ¿Pero era el límite de 20 segundos?, se preguntó.

Durante el apogeo de la pandemia de COVID-19, Panda trabajó incansablemente para aumentar los tiempos de espera, enumerando sistemáticamente 40 posibles obstáculos hasta que se demostró que las vibraciones provocaban que el rayo láser se doblara. Hay un gran límite. Al estabilizar el haz dentro de una cámara resonante y ajustar la temperatura a un nivel ligeramente más frío (en este caso, menos de una millonésima de Kelvin por encima de cero, o mil millones de veces más fría que la temperatura ambiente), pudo extender la retención. Tiempo hasta 70 segundos.

Él y Mueller publicaron los hallazgos en la edición del 11 de junio de 2024 de Física de la naturaleza.

Confusión de gravedad

En el experimento de gravedad recientemente informado, Panda y Müller intercambiaron paquetes de ondas por una separación mayor de varias micras, o varias milésimas de milímetro, en un corto tiempo, 2 segundos. Para cada experimento, la cámara de vacío contiene alrededor de 10.000 átomos de cesio (demasiado escasamente distribuidos para interactuar entre sí) dispersos a través de una red óptica en nubes de alrededor de 10 átomos cada una.

“La gravedad intenta empujarlos hacia la masa de tungsteno con una fuerza mil millones de veces mayor que su atracción, pero tienes una fuerza restauradora proveniente de la red óptica que los sostiene, como un estante”, dijo Panda. “Luego tomamos cada átomo y lo dividimos en dos paquetes de ondas, de modo que ahora está en una superposición de dos alturas. Y luego tomamos cada uno de esos dos paquetes de ondas y los dividimos en una red separada. En lugar de la red, lo cargamos en una estante separado, por lo que parece un armario. Cuando cerramos la rejilla, los paquetes de ondas se vuelven a ensamblar y se puede leer toda la información cuántica que se adquirió durante la retención”.

Panda planea construir su interferómetro atómico reticular en la Universidad de Arizona, donde acaba de ser nombrado profesor asistente de física. Espera utilizarlo, entre otras cosas, para medir el continuo de gravedad que vincula la fuerza de gravedad con la masa.

Mientras tanto, Muller y su equipo están construyendo un nuevo interferómetro atómico reticular desde cero con control de vibraciones y bajas temperaturas. El nuevo instrumento podría producir resultados 100 veces mejores que el experimento actual y sería lo suficientemente sensible como para detectar las propiedades cuánticas de la gravedad. El experimento planeado para detectar el entrelazamiento gravitacional, si tiene éxito, sería similar a la primera demostración del entrelazamiento cuántico de fotones realizada por el fallecido Stuart Friedman y el ex becario postdoctoral John Clouser en la Universidad de California en Berkeley en 1972. Clouser compartió el Premio Nobel de Física 2022 por este trabajo.

Otros coautores del artículo sobre gravedad son el estudiante graduado Matthew Tao y el ex estudiante universitario de UC Berkeley Miguel Seja, Justin Khoury de la Universidad de Pensilvania en Filadelfia y Guglielmo Tino de la Universidad de Florencia en Italia. Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias (1708160, 2208029), la Oficina de Investigación Naval (N00014-20-1-2656) y el Laboratorio de Propulsión a Chorro (1659506, 1669913).