El salto cuántico de UC Berkeley en la investigación de la energía oscura

Un experimento captura átomos durante la caída libre para buscar anomalías gravitacionales causadas por la falta de energía en el universo.

Investigadores de la Universidad de California, Berkeley, han logrado mejorar la precisión de los experimentos de gravedad utilizando… maíz Combinar un interferómetro con una rejilla óptica ampliaría enormemente el tiempo que los átomos pueden permanecer en caída libre. Aunque todavía no se han encontrado desviaciones de la gravedad newtoniana, estos avances pueden revelar nuevos aspectos cuánticos de la gravedad y probar teorías sobre partículas exóticas como camaleones o enantiómeros.

Hace veintiséis años, los físicos descubrieron la energía oscura, una fuerza misteriosa que separa el universo a un ritmo cada vez mayor. Desde entonces, los científicos han estado buscando una nueva partícula extraña que provoque la expansión.

Ampliando los límites de esta investigación, Universidad de California, Berkeley Los físicos han construido ahora el experimento más preciso hasta el momento para buscar ligeras desviaciones de la teoría aceptada de la gravedad que podrían ser evidencia de tal partícula, que los teóricos han denominado simetría camaleónica.

El experimento, que combina un interferómetro atómico para mediciones precisas de la gravedad con una rejilla óptica para mantener los átomos en su lugar, permitió a los investigadores inmovilizar los átomos que caían durante segundos en lugar de milisegundos para buscar efectos gravitacionales, superando la medición actual, más precisa por un factor. de cinco.

La luz violeta de un láser infrarrojo ilumina la mesa óptica utilizada en el experimento. Se utiliza un láser para controlar con precisión los estados cuánticos de los átomos de cesio en una cámara de vacío. Crédito de la imagen: Laboratorio Holger Müller.

Explorando la naturaleza cuántica de la gravedad.

Aunque los investigadores no encontraron ninguna desviación de lo predicho por la teoría desarrollada por Isaac Newton hace 400 años, la mejora esperada en la precisión del experimento puede conducir eventualmente a la aparición de evidencia que apoye o refute las teorías de la hipotética quinta fuerza mediada. por camaleones u homólogos.

La capacidad del interferómetro de átomos de red para retener átomos durante hasta 70 segundos (y quizás 10 veces más) también abre la posibilidad de explorar la gravedad a nivel cuántico, dijo Holger Müller, profesor de física en la Universidad de California, Berkeley. . Si bien los físicos tienen teorías bien probadas que describen 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 probada.

«La mayoría de los teóricos están de acuerdo en que la gravedad es cuántica», dice Muller, «pero nadie ha visto nunca ninguna evidencia experimental de ello. Es muy difícil siquiera saber si la gravedad es cuántica, pero si podríamos mantener nuestros átomos 20 o 30 veces más». la de cualquier otra persona… «Ahora, debido a que nuestra sensibilidad aumenta a la segunda o cuarta potencia del tiempo de convección, podríamos tener entre 400.000 y 800.000 veces más posibilidades de encontrar pruebas experimentales de que la gravedad es en realidad mecánica cuántica».

Una rejilla óptica atrapa grupos de átomos (discos azules) en una matriz regular para que puedan estudiarse durante más de un minuto dentro de un interferómetro de rejilla atómica. Los átomos individuales (puntos azules) están colocados en una superposición espacial cuántica, es decir, en dos capas de la red simultáneamente, y están indicados por largas barras amarillas. Crédito: Sarah Davis

Aplicaciones y tendencias futuras de la detección cuántica

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

«La interferometría atómica es particularmente sensible a los efectos gravitacionales o inerciales», dijo Christian Banda, becario postdoctoral en UC Berkeley, primer autor de un artículo sobre mediciones gravitacionales que se publicará esta semana en Science Alert Gyroscopes and acelerometers. naturaleza «Pero esto abre una nueva dirección en el campo de la interferometría atómica, donde la detección cuántica de la gravedad, la aceleración y la rotación se puede realizar utilizando átomos confinados en redes ópticas en un paquete compacto que es resistente a los defectos ambientales o al ruido».

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

Información sobre la energía oscura y la partícula camaleón

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 en la Universidad de California en Berkeley, y un grupo de astrónomos entre los que se encontraba Adam Ries, un becario postdoctoral en la Universidad de California, Berkeley. Los dos compartieron Premio Nobel de Física 2011 Para descubrir.

Los científicos han descubierto que el universo se está expandiendo demasiado rápido al rastrear supernovas distantes y utilizarlas para medir distancias cósmicas. A pesar de muchas especulaciones de los teóricos sobre lo que separa el espacio, la energía oscura sigue siendo un misterio, un gran misterio, porque alrededor del 70 por ciento de la materia y la energía del universo entero se encuentran en forma de energía oscura.

En esta imagen, se pueden ver grupos de alrededor de 10.000 átomos de cesio flotando en una cámara de vacío, levitados por rayos láser que se cruzan y que crean una red óptica estable. Arriba se muestra un peso cilíndrico de tungsteno y su soporte. Crédito de la imagen: Christian Banda, UC Berkeley.

Una teoría es que la energía oscura es simplemente energía del vacío en el espacio. La otra es que es un campo de energía llamado esencia, que cambia con el tiempo y el espacio.

Otra sugerencia es que la energía oscura es una quinta fuerza mucho más débil que la gravedad y está mediada por partículas que ejercen una fuerza repulsiva que cambia según la densidad de la materia que las rodea. En el vacío que rodea el espacio, ejercen una fuerza repulsiva a largas distancias, capaz de separar el espacio entre sí. En un laboratorio en la Tierra, donde la materia la rodea por todos lados para protegerla, el alcance de la partícula sería muy pequeño.

A esta partícula se le ha llamado camaleón, como si se escondiera a plena vista.

Avances en técnicas de interferometría atómica.

En 2015, Mueller modificó un interferómetro atómico para buscar evidencia de camaleones utilizando átomos de cesio lanzados a una cámara de vacío, que simula el vacío del espacio. Durante los 10 a 20 milisegundos que tardaron los átomos en subir y bajar sobre una pesada bola de aluminio, él y su equipo no detectaron ninguna desviación de lo que se esperaría de la gravedad normal de la bola y la Tierra.

La clave para utilizar átomos en caída libre para probar la gravedad es la capacidad de excitar cada átomo en una superposición cuántica de dos estados, cada uno con un impulso ligeramente diferente, transportado a diferentes distancias por el pesado peso de tungsteno que cuelga sobre nuestras cabezas. El estado de mayor impulso y mayor altitud experimenta más gravedad para el tungsteno, lo que cambia su fase. Cuando la función de onda del átomo colapsa, la diferencia de fase entre las dos partes de la onda de materia revela la diferencia gravitacional entre ellas.

“La interferometría atómica es el arte y la ciencia de utilizar 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 nosotros. eventualmente interfieran entre ellos”, dijo Müller. “Las ondas pueden estar en fase y acumularse, o pueden estar desfasadas y cancelarse entre sí. El truco es que si están en fase o desfasadas depende de manera muy sensible de alguna cantidad que desee medir. como la aceleración o la gravedad o la rotación o constantes fundamentales.

Ampliando los límites de la física experimental

En 2019, Müller y sus colegas agregaron una red óptica para mantener los átomos cerca de un peso de tungsteno durante un período mucho más largo (unos sorprendentes 20 segundos) para aumentar el efecto de la gravedad en la fase. Una red óptica utiliza dos rayos láser cruzados, creando una matriz en forma de cuadrícula de lugares estables donde los átomos se reúnen y se elevan hacia el vacío. Se preguntó si 20 segundos era el límite.

durante el pico COVID-19 Durante la pandemia, Panda trabajó incansablemente para extender el tiempo de espera, arreglando metódicamente una lista de 40 posibles inconvenientes hasta que estuvo seguro de que la inclinación tambaleante del rayo láser, causada por las vibraciones, era una limitación importante. Sosteniendo el haz dentro de la cámara resonante y ajustando la temperatura para que sea un poco más fría, en este caso menos de una millonésima de kelvin por encima. Cero absolutoo mil millones de veces más fría que la temperatura ambiente, pudo extender el tiempo de espera a 70 segundos.

Él y Mueller Publicó esos resultados En la edición del 11 de junio de 2024 de Física de la naturaleza.

Enredo por gravedad

En su experimento gravitacional recientemente informado, Banda y Müller intercambiaron un tiempo más corto, dos segundos, por una mayor separación de paquetes de ondas de hasta varias micras, o varias milésimas de milímetro. Hay alrededor de 10.000 átomos de cesio en la cámara de vacío para cada experimento, tan escasamente distribuidos que no interactúan entre sí, distribuidos por la red óptica en nubes de unos 10 átomos cada una.

«La gravedad intenta empujarlo hacia abajo con una fuerza mil millones de veces más fuerte que la gravedad del bloque de tungsteno, pero la fuerza restauradora proviene de la red óptica que lo sostiene, como un estante», dijo Panda. “Luego tomamos cada átomo y lo dividimos en dos paquetes de ondas, por lo que ahora está en una superposición de dos alturas y luego tomamos cada uno de esos paquetes de ondas y los cargamos en una ubicación de cuadrícula separada, en un bastidor separado, para que parezca. como un armario. Cuando apagamos la red, los paquetes vuelven a combinar longitudes de onda y se puede leer toda la información cuántica obtenida durante la suspensión.

Banda planea construir su propio interferómetro de red atómica en la Universidad de Arizona, donde acaba de ser nombrado profesor asistente de física. Espera utilizarlo, entre otras cosas, para medir con mayor precisión la constante gravitacional que relaciona la fuerza de gravedad con la masa.

Mientras tanto, Mueller y su equipo están construyendo un nuevo interferómetro atómico reticular desde cero, con un mejor control de las vibraciones y una temperatura más baja. El nuevo dispositivo puede proporcionar resultados 100 veces mejores que el experimento actual. Lo suficientemente sensible como para detectar propiedades cuánticas de la gravedad.El experimento planeado para detectar el entrelazamiento gravitacional, si tiene éxito, será similar a la primera demostración de entrelazamiento cuántico de fotones realizada en UC Berkeley en 1972 por el fallecido Stuart Friedman y ex becario postdoctoral. John Clauser. Clauser recibió el Premio Nobel de Física 2022 por este trabajo.

Referencia: “Medición de la gravedad utilizando un interferómetro de red atómica” por Christian D. Banda y Matthew J. Tao, Miguel Ceja, Justin Khoury, Guglielmo M. Tino y Holger Müller, 26 de junio de 2024. naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-024-07561-3

Otros coautores del artículo de Gravity son el estudiante graduado Matthew Tao y el ex estudiante universitario Miguel Ceja de UC Berkeley, y Justin Khoury de UC Berkeley. Universidad de Pennsylvania 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).