Experimento cuántico podría revelar al fin la elusiva partícula de la gravedad

Física

El gravitón (una partícula hipotética que transporta la fuerza de la gravedad) ha eludido la detección durante más de un siglo, pero ahora los físicos han diseñado un sistema experimental que, en teoría, podría detectar estos diminutos objetos cuánticos. De la misma manera que las partículas individuales llamadas fotones son portadoras de fuerza para el campo electromagnético, los campos gravitatorios podrían, en teoría, tener sus propias partículas portadoras de fuerza llamadas gravitones.

El problema es que interactúan tan débilmente que nunca han sido detectados, y algunos físicos creen que nunca lo serán. Pero un nuevo estudio, dirigido por la Universidad de Estocolmo, es más optimista. El equipo ha descrito un experimento que podría medir lo que llaman el “efecto gravitofonónico” y capturar gravitones individuales por primera vez.

El experimento implicaría enfriar una enorme barra de aluminio de 1.800 kilogramos a un poco por encima del cero absoluto, conectarla a sensores cuánticos continuos y esperar pacientemente a que las ondas gravitacionales la recorran. Cuando se hace esto, el instrumento vibra a escalas muy pequeñas, que los sensores pueden ver como una serie de pasos discretos entre niveles de energía.

Cada uno de esos pasos (o saltos cuánticos) marcaría la detección de un solo gravitón. Cualquier señal potencial podría entonces ser cotejada con los datos de la instalación LIGO para asegurar que proviene de un evento de onda gravitacional y no de una interferencia de fondo.

Es un experimento sorprendentemente elegante, pero hay un problema: esos sensores cuánticos sensibles en realidad aún no existen. Dicho esto, el equipo cree que su construcción debería ser posible en un futuro cercano.

“Estamos seguros de que este experimento funcionaría”, dice el físico teórico Thomas Beitel, uno de los autores del estudio. “Ahora que sabemos que los gravitones pueden detectarse, es una motivación adicional para seguir desarrollando la tecnología de detección cuántica adecuada. Con un poco de suerte, uno podrá capturar gravitones individuales pronto”.

De las cuatro fuerzas fundamentales de la física, la gravedad es la que conocemos mejor a diario, pero en muchos sentidos sigue siendo la más misteriosa. El electromagnetismo tiene el fotón, la interacción débil tiene los bosones W y Z, y la interacción fuerte tiene el gluón, por lo que, según algunos modelos, la gravedad debería tener el gravitón. Sin él, es mucho más difícil hacer que la gravedad funcione con el Modelo Estándar de la teoría cuántica.

Este nuevo experimento podría ayudar, irónicamente, al volver a algunos de los primeros experimentos en este campo. A partir de la década de 1960, el físico Joseph Weber intentó encontrar ondas gravitacionales utilizando cilindros de aluminio sólido, que estaban suspendidos de un cable de acero para aislarlos del ruido de fondo. Si las ondas gravitacionales pasaban, según la idea, se desencadenarían vibraciones en los cilindros que se convertirían en señales eléctricas mensurables.

Con esta configuración, Weber insistió en que detectó ondas gravitacionales ya en 1969, pero sus resultados no pudieron reproducirse y sus métodos fueron desacreditados más tarde. El fenómeno permanecería sin ser detectado hasta que LIGO los encontró en 2015.

Weber no buscaba específicamente gravitones, pero podría ser posible con una actualización del siglo XXI a su experimento. El enfriamiento criogénico, junto con la protección contra el ruido y otras fuentes de vibración, mantiene los átomos de aluminio lo más quietos posible, por lo que las señales potenciales son más claras. Y tener un detector de ondas gravitacionales confirmado a mano también es útil.

“Los observatorios LIGO son muy buenos para detectar ondas gravitacionales, pero no pueden capturar gravitones individuales”, dice Beitel. “Pero podemos usar sus datos para correlacionarlos con nuestro detector propuesto para aislar gravitones individuales”.

Los investigadores dicen que los candidatos más prometedores son las ondas gravitacionales de las colisiones entre pares de estrellas de neutrones, dentro del rango de detección de LIGO. Con cada evento, aproximadamente un undecillón de gravitones (es decir, un 1 seguido de 36 ceros) pasarían a través del aluminio, pero solo un puñado sería absorbido. La última pieza del rompecabezas son esos molestos sensores cuánticos. Afortunadamente, el equipo cree que la tecnología no está tan lejos de alcanzarse.

“Recientemente se han observado saltos cuánticos en los materiales, pero aún no en las masas que necesitamos”, afirma el físico de la Universidad de Estocolmo Germain Tobar, uno de los autores del estudio. “Pero la tecnología avanza muy rápidamente y tenemos más ideas sobre cómo facilitarlo”.

La investigación se publicó en la revista Nature Communications.

Fuente: Science Alert.

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