Átomos en ‘caída libre’ para rastrear los fotones oscuros

Físicos de la Universidad de California en Berkeley han medido con precisión la fuerza que gobierna la carga eléctrica, los imanes y la luz haciendo rebotar esta última contra átomos en caída. Esta medición tiene consecuencias trascendentales para la física que van desde desvelar qué hay en el interior de un electrón hasta comprender el comportamiento de la materia oscura en las galaxias lejanas.

Como explican en un artículo publicado la pasada semana en la revista Science, los científicos han estudiado en detalle cómo reaccionan los átomos de cesio al impacto de los fotones (partículas de luz). Para ello, los lanzaron varios metros hacia arriba en el aparato de medición, y a continuación los bombardearon con fotones mientras caían.

Utilizando los átomos de cesio midieron la constante de estructura fina con más precisión de la lograda hasta ahora por ningún experimento. Esta constante caracteriza la fuerza electromagnética, responsable de infinidad de fenómenos físicos y famosa por su función en la electricidad, el magnetismo y la luz.

El valor de la constante de estructura fina que comunican los autores del artículo es tan preciso que la incertidumbre no se manifiesta hasta el décimo decimal. El resultado es comparable a medir la longitud del Gran Cañón con la precisión del grosor de un cabello humano. Sus resultados desafían los límites de la física conocida y tal vez nos proporcionen una pista de qué hay más allá.

El resultado es comparable a medir la longitud del Gran Cañón con la precisión del grosor de un cabello humano

Por ejemplo, esta medición puede servir para comprobar la existencia de la materia oscura, la misteriosa sustancia responsable del 27% de la masa y la energía del universo que, según se cree, rodea las galaxias. Varios físicos sostienen la teoría de que es posible que la materia oscura interactúe con los fotones oscuros, la versión de la luz de la materia oscura. Si los fotones oscuros existen, los experimentos tal vez arrojen un valor de la constante de estructura fina diferente del esperado.

Según Holger Müller, investigador principal y coautor del trabajo, los fotones oscuros rastreados en su experimento deberían de interactuar con las partículas de materia oscura. El investigador afirma que el fotón oscuro es “una partícula mensajera capaz de entenderse tanto con la materia oscura como con la materia convencional”. Si los fotones oscuros son reales, cabe la posibilidad de que proporcionen el primer indicio de la existencia de la materia oscura.

Estas mediciones también permiten obtener información sobre el interior de una partícula ya conocida: el electrón. Si el electrón está compuesto por otras partículas ocultas, estas también deberían afectar a la constante de estructura fina. El grupo de Müller no ha observado este efecto. Ahora sabemos que, o bien las partículas del interior del electrón tienen efectos más débiles de lo pensado, o bien este no está compuesto por nuevas partículas.

La técnica que hace posible estas mediciones precisas se llama interferometría de ondas de materia. Hace tiempo que los físicos saben que la materia –como, por ejemplo, los átomos– puede comportarse como una ola. El equipo de Müller puede manipular esas ondas de materia y conseguir que interfieran entre sí de manera parecida a las ondas en un estanque. Cuando, en su experimento, los átomos de cesio caen, sus ondas de materia interfieren. La interferencia revela y refuerza determinadas propiedades sutiles de los átomos. En este caso se utilizó para comprobar el retroceso del cesio tras haber sido bombardeado con fotones.

Trabajamos de manera que lográsemos entender todas las sorpresas hasta que dejaban de serlo

A fin de lograr una precisión aún mayor, el equipo de la Universidad de California se propuso entender y reducir cualquier posible fuente de error en el experimento. Para evitar posibles sesgos, llevaron a cabo la prueba a ciegas, es decir, se ocultaron el verdadero valor de lo que estaban midiendo. Müller reconoce que, como es natural, estaba un poco nervioso cuando sus colaboradores descubrieron el resultado por primera vez. Para asegurarse de su validez cuando lo diesen a conocer, los científicos comprobaron dos veces cada componente del experimento y del equipo. Según su director, “trabajamos de manera que lográsemos entender todas las sorpresas hasta que dejaban de serlo”.

La interferometría de las ondas de materia forma parte de un esfuerzo continuado de los físicos por descubrir la materia oscura. Con anterioridad, un experimento independiente había detectado una ligera anomalía en las propiedades magnéticas del muon, el pariente pesado del electrón. La responsabilidad se atribuyó a los fotones oscuros. Si esto fuese cierto, “los fotones oscuros influirían también en los observables de los electrones, los cuales, como se desprende de los resultados del artículo, no muestran esta discrepancia”, afirma David G. Cerdeño, especialista en materia oscura de la Universidad de Durham. Aun así, cabe la posibilidad de que los fotones oscuros existan, si bien Müller y los coautores del trabajo puntualizan  que es muy probable que no expliquen la irregularidad del muon.

Según el científico, en estos momentos la medición de la constante de estructura fina se encuentra “en la zona gris entre el acuerdo y el desacuerdo”. El valor obtenido no concuerda con exactitud con la teoría, pero no es demasiado sorprendente dado el error. Si la precisión aumenta, es posible que la diferencia se acentúe. Con los avances en la técnica de la interferometría de las ondas de materia se abre la puerta a una mayor precisión. Una discordancia altamente precisa podría ser el primer indicio del descubrimiento de nuevas partículas de materia oscura.

Rachel Houtz es investigadora en el proyecto europeo Elusives, que aborda el estudio de neutrinos, materia oscura y física más allá del modelo estándar (H2020-MSCA-ITN-2015//674896-Elusives).