Investigadores dirigidos por la Universidad de Warwick han introducido el primer método unificado para detectar “fluctuaciones del espacio-tiempo”: pequeñas distorsiones aleatorias en la estructura del espacio-tiempo observadas en muchos intentos de vincular la física cuántica con la gravedad.
Estas pequeñas variaciones fueron propuestas por primera vez por el físico John Wheeler y se espera que surjan en varias de las principales teorías de la gravedad cuántica. Sin embargo, diferentes teorías predicen diferentes tipos de fluctuaciones, lo que dificulta que los científicos experimentales sepan exactamente qué señales buscar.
Convertir la teoría en señales mensurables
Nueva investigación, publicada comunicación de la naturalezaaborda este problema agrupando las fluctuaciones del espacio-tiempo en tres categorías principales en función de cómo se comportan en el espacio y el tiempo. Para cada categoría, el equipo identificó patrones claros y mensurables que podrían detectarse utilizando interferómetros láser, desde sistemas a gran escala como el LIGO de 4 km de largo hasta configuraciones experimentales más pequeñas como QUEST y GQuEST que se están desarrollando en el Reino Unido (Universidad de Cardiff) y Estados Unidos (Caltech), respectivamente.
La Dra. Sharmila Balamurugan, profesora asistente de la Universidad de Warwick y primera autora, dijo: “Los diferentes modelos de gravedad predicen tendencias subyacentes muy diferentes en las fluctuaciones aleatorias del espacio-tiempo, y esto ha dejado a los experimentadores sin un objetivo claro. Nuestro trabajo proporciona las primeras pautas unificadoras que traducen estos símbolos abstractos, teóricos y predefinidos.
“Esto significa que ahora podemos probar toda una clase de predicciones de gravedad cuántica utilizando interferómetros existentes, sin esperar a tecnologías completamente nuevas. Este es un paso importante hacia la prueba rigurosa de algunas de las cuestiones más fundamentales de la física”.
Lo que revela el estudio
A continuación se ofrecen algunas ideas importantes sobre cómo diferentes instrumentos pueden detectar estas fluctuaciones:
- El interferómetro de mesa supera al LIGO en ancho de banda.
A pesar de su tamaño mucho más pequeño, sistemas como QUEST y GQueEST pueden proporcionar información más detallada sobre las fluctuaciones del espacio-tiempo. Su rango de frecuencia más amplio les permite capturar todos los patrones de señales clave. - LIGO es un excelente detector de “sí/no”.
Debido a su larga cavidad en el brazo, LIGO es extremadamente sensible a si existen o no fluctuaciones en el espacio-tiempo. Sin embargo, las frecuencias relevantes quedan fuera del rango actualmente disponible en los datos públicos. - Se ha resuelto una controversia de larga data.
El estudio aborda una pregunta constante sobre si las caries en las manos mejoran la detección. Los resultados muestran que aumentan la sensibilidad, dependiendo del tipo de fluctuación estudiada.
Dr. coautor del estudio. Sander Vermeulen, de Caltech, dijo: “Los interferómetros pueden medir el espacio-tiempo con extraordinaria precisión. Sin embargo, para medir las fluctuaciones del espacio-tiempo con un interferómetro, necesitamos saber dónde (es decir, a qué frecuencia) mirar y cómo se verá la señal. Con nuestra estructura, ahora podemos predecir que nuestro interferómetro mostrará un resultado sólido, y un resultado sólido para el interferómetro. Una herramienta versátil en la búsqueda de la gravedad cuántica”.
Una herramienta flexible para la física fundamental
Una fortaleza importante de este marco es que no se basa en una única explicación de cómo surgen estas inestabilidades. En cambio, sólo requiere una descripción matemática de las fluctuaciones propuestas y detalles sobre la configuración de medición. Esta flexibilidad lo hace útil no sólo para estudiar la gravedad cuántica, sino también para investigar ondas gravitacionales estocásticas, posibles señales de materia oscura y ciertos tipos de ruido experimental.
Animesh Dutta, profesor de física teórica en Warwick, concluyó: “Con este enfoque, ahora podemos tratar el modelo propuesto de fluctuaciones espacio-temporales de una manera consistente y comparable. En los próximos años, podremos usarlo para diseñar interferómetros de mesa más inteligentes y confirmar o refutar posibles cuasi teorías de la materia oscura y las ondas gravitacionales estocásticas”.
Este trabajo fue financiado por el programa “Tecnologías cuánticas para la física fundamental” del STFC del Reino Unido (números de subvención ST/T006404/1, ST/W006308/1 y ST/Y004493/1) y el Leverhulme Trust bajo la subvención de investigación ECF-2041-2042.
