El primer reloj nuclear se pone a prueba para verificar cambios en las constantes fundamentales
(quantamagazine.org)- Investigadores de JILA midieron la transición entre dos estados del núcleo atómico de thorium-229 con una precisión de una parte en un billón, cerrando en la práctica una búsqueda de 50 años de la frecuencia láser de la transición del reloj nuclear
- El thorium-229 es un caso inusual en el que los cambios en la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear fuerte dentro del núcleo atómico casi se cancelan, lo que permite provocar una transición nuclear con muy poca energía
- Tras los resultados de un equipo europeo en abril de 2024 y del grupo de UCLA en julio, ahora llegó el resultado de JILA, y esta medición es millones de veces más precisa que las observaciones anteriores
- La transición del reloj nuclear es mucho más sensible que los estados atómicos a cambios en las constantes fundamentales, pero como los cambios posibles podrían estar en el orden de una parte en 10 billones, todavía hace falta mejorar la precisión
- Un reloj nuclear de thorium-229 podría convertirse en una nueva herramienta para comprobar experimentalmente la variación temporal de las leyes físicas predicha por modelos como el axion de materia oscura o la teoría de cuerdas
Medición de la transición del reloj nuclear de thorium-229 en JILA
- En una noche de mayo de 2024, el estudiante de posgrado de JILA Chuankun Zhang confirmó la señal de la transición del reloj nuclear en la que el núcleo atómico de thorium-229 cambia entre dos estados
- Tras varios procedimientos de verificación, el equipo concluyó que esta señal correspondía a una transición nuclear real del thorium-229
- Los resultados del grupo de investigación de Jun Ye fueron reportados en Nature el 4 de septiembre de 2024
- Es el tercer resultado sobre la observación de la transición del thorium-229 publicado en los últimos 4 meses, después de los trabajos de investigadores de Alemania y California
- Esta medición es millones de veces más precisa que los resultados anteriores, por lo que marca el cierre de un largo proceso de búsqueda de la frecuencia láser exacta que induce la transición del reloj nuclear
Por qué el thorium-229 es especial
- Los relojes atómicos comunes aprovechan el proceso en el que un electrón absorbe un fotón, pasa a un estado excitado y luego regresa al estado base
- La longitud de onda ajustada a la transición del átomo de cesio define actualmente el estándar internacional de 1 segundo
- Un segundo se define como el tiempo que tardan 9,192,631,770 de esas longitudes de onda en pasar por un punto del espacio
- Los núcleos atómicos también tienen estados base y excitados, pero como protones y neutrones están unidos con mucha más fuerza que los electrones, normalmente se necesitan fotones de energía mucho más alta, como los rayos gamma
- El núcleo atómico de thorium-229 es una excepción notable porque la energía necesaria para la transición nuclear es muy baja
- La fuerza electromagnética entre los protones dentro del núcleo tiende a separarlo, mientras que la fuerza nuclear fuerte lo mantiene unido
- En el cambio de espín del neutrón más externo del thorium-229, las variaciones de esas dos fuerzas casi se cancelan con exactitud, por lo que la diferencia de energía entre el estado excitado y el estado base es extremadamente pequeña
- La transición puede ocurrir con una energía unas 10,000 veces menor que la excitación nuclear típica
Un material experimental surgido como subproducto de la Guerra Fría
- El thorium-229 proviene de la desintegración del uranium-233, un subproducto de la investigación sobre armas nucleares durante la Guerra Fría
- Estados Unidos produjo alrededor de 2 toneladas de uranium-233 entre las décadas de 1950 y 1970, ya que se lo evaluaba como un material fisionable de grado militar alternativo al uranium-235 y al plutonium-239
- En 1976, Larry Kroger y Charles Reich, del Idaho National Laboratory, mientras estudiaban la radiación procedente de residuos líquidos de uranium-233, encontraron evidencia indirecta de que el thorium-229 tenía un estado excitado nuclear de energía mucho más baja de lo esperado
- En 1990, Reich y sus colegas confirmaron mediante una nueva medición más precisa que la energía de ese estado excitado era más de 10 veces menor de lo que se pensaba al principio
- Las transiciones nucleares suelen requerir millones de electronvoltios, pero la transición del thorium-229 está por debajo de los 10 electronvoltios
- Ese rango de energía está dentro de lo que los láseres existentes pueden entregar de forma estable y precisa
- Eric Hudson afirma que, en todo el mapa de núcleos atómicos, este caso solo existe en el thorium-229
La idea del reloj nuclear y la verificación de constantes fundamentales
- En 2003, Ekkehard Peik y Christian Tamm propusieron un reloj nuclear basado en thorium-229
- Como el núcleo atómico está rodeado por la nube electrónica y queda blindado del mundo exterior, un reloj basado en thorium-229 podría ser menos sensible a las interferencias de fondo que afectaban a los mejores relojes atómicos de esa época
- Victor Flambaum mostró que un reloj tan sensible y aislado podría usarse para poner a prueba la constancia de la propia naturaleza
- Las ecuaciones de la física incluyen unas 26 constantes fundamentales, como la velocidad de la luz y la constante gravitacional
- Teorías como la de cuerdas predicen que estos números podrían cambiar muy ligeramente con el tiempo
- Un modelo popular de materia oscura plantea que, si la materia oscura estuviera compuesta por una partícula ondulatoria llamada axion, los cambios en la densidad local de axions podrían hacer variar la intensidad de algunas fuerzas
- Los cambios en la intensidad de las fuerzas pueden alterar la energía de los estados nucleares
- La energía de los estados nucleares se determina sumando y restando las grandes contribuciones de la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear fuerte que actúan sobre protones y neutrones
- Como la diferencia de energía de la transición del thorium-229 es muy pequeña, incluso cambios diminutos en las fuerzas podrían manifestarse con especial intensidad
La carrera por encontrar la frecuencia láser
- Al principio, la estimación de la energía necesaria para la transición del reloj nuclear tenía una precisión 1,000 veces menor que la de las longitudes de onda láser que los investigadores estaban explorando
- Los investigadores tenían que descartar miles de longitudes de onda láser una por una, y el método de atrapar unos pocos átomos de thorium-229, disparar el láser y esperar fotones simplemente tomaba demasiado tiempo
- Siguiendo el enfoque de Eric Hudson, varios grupos comenzaron a fabricar compuestos cristalinos sólidos con thorium en su interior
- Un cristal puede contener no unos pocos átomos, sino miles de billones de átomos
- Eso permite descartar rápidamente muchas longitudes de onda usando láser
- Un equipo del CERN logró un avance en 2023 al producir thorium-229 excitado mediante desintegración radiactiva y medir directamente la tenue luz ultravioleta de la transición del reloj nuclear en un entorno más silencioso
- Gracias al resultado del CERN, el rango de búsqueda se redujo considerablemente, y en abril de 2024 un equipo europeo informó por primera vez que había investigado ese estado con láser
- El grupo de Hudson en UCLA también publicó su hallazgo en Physical Review Letters en julio de 2024
- El grupo de Jun Ye en JILA consiguió uno de los cristales fabricados por Thorsten Schumm y ha venido desarrollando un láser ultravioleta especial para convertir el thorium-229 en un reloj nuclear
- Este láser se usa para probar varias longitudes de onda al mismo tiempo y encontrar la transición
- El resultado de JILA funciona como el cierre, con la medición de energía más precisa, de tres descubrimientos paralelos
Por qué hace falta una precisión aún mayor
- La energía de los estados nucleares del thorium es mucho más sensible que cualquier estado atómico a cambios en las constantes fundamentales
- Actualmente, el grupo de Ye puede medir la transición del reloj nuclear con una precisión de una parte en un billón
- Para detectar cambios aún más sutiles que los niveles ya descartados por los relojes atómicos existentes, hace falta mayor precisión
- Los cambios posibles podrían estar en el orden de una parte en 10 billones, y Ye cree que eso será asunto de “varios años más”
- El thorium-229, surgido de un viejo subproducto de la Guerra Fría, podría convertirse en una herramienta para buscar evidencia de una física más profunda aún no descubierta que sostiene el universo
1 comentarios
Comentarios en Hacker News
Incluso si con esto logran hacer un reloj nuclear y el drift de Allan baja lo suficiente como para ser útil, parece que habría que observar durante años para reunir suficientes datos como para medir una diferencia significativa y averiguar algo
Mientras tanto, habría que cancelar el efecto de mover un objeto apenas 1 cm hacia arriba o abajo, la posición de la Luna y toda clase de otras fuentes de ruido
No dudo que al final lo lograrán, y cuando más adelante conozcamos todo el proceso seguramente será asombroso
Como material interesante para ver mientras tanto, encontré la grabación de una conferencia en YouTube que explica con más claridad cómo funciona un reloj atómico a escala de chip: https://www.youtube.com/watch?v=wHYvS7MtBok
Algún día también espero ver un reloj de red óptica a escala de chip
Además, el costo de desplegarlo parece mucho menor que el del hardware interferométrico, así que tal vez se podrían instalar suficientes dispositivos replicados por todo el mundo para cancelar también fuentes de ruido locales
Es interesante leer juntas la parte de “muchos núcleos atómicos tienen transiciones de espín similares, pero solo en torio-229 esta cancelación es casi perfecta” y la de que “las constantes físicas podrían no ser realmente constantes”
Si las constantes físicas cambiaran con el tiempo, quizá el torio-229 no tenga nada de especial, sino que sea un isótopo en el que justo en este momento la repulsión eléctrica y la fuerza nuclear fuerte están equilibradas por casualidad
Tal vez dentro de mil millones de años otro elemento cumpla ese papel, y puede que tengamos la suerte de vivir en una época en la que un isótopo de los elementos existentes encaja perfectamente
Puede que el momento o lugar óptimo en el que las dos fuerzas se equilibran con exactitud ya haya existido o esté por llegar, y ese podría ser ideal para medir con precisión cambios en las constantes. Igual que un eclipse fue una buena oportunidad para comprobar la curvatura de la luz por la gravedad
Aun así, hay números como la constante de estructura fina que parecen difíciles o imposibles de derivar de otros valores. La explicación que vi en divulgación científica es el principio antrópico: tienen que ser esos valores para que alguien pueda hacer esa pregunta
No sé muy bien cómo lo ven los científicos de verdad
La interacción electromagnética que produce las fuerzas normales también está atada a la velocidad de la luz, y lo mismo pasa con todo lo demás
Otras constantes podrían cambiar, pero sería algo muy sorprendente que la velocidad de la luz observada localmente pudiera ser distinta
Si la idea es que números como la velocidad de la luz o la constante gravitacional determinan cómo funciona el universo pero en realidad podrían no ser constantes, desde la perspectiva de alguien que no es físico siempre he sentido que la gravedad es una fuerza que podría cambiar
Entonces pensé si eso podría ser una explicación alternativa para el problema de la materia oscura faltante, o para por qué muchos seres vivos de la Tierra eran más grandes hace millones de años. Claro, como no tengo mucha base en física, tal vez intentar explicar ambos fenómenos a la vez termine siendo contradictorio
En el artículo dicen que hay 26 constantes, pero si uno ve https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_physical_constants parecen ser más
Y en el caso de constantes que son razones como la constante de estructura fina, parecería que aunque hubiera cambios reales no podríamos detectarlos si la razón siguiera igual. Algo parecido a que π también es una razón y permanece igual
Además, no es que ese conjunto exacto de 26 esté fijado para siempre. Se puede tomar 1/c como constante en lugar de c y sigue siendo igual de válido, y cualquier ecuación puede reescribirse para usar 1/c en vez de c
En el caso de las razones, justamente lo que se quiere comprobar es si esa razón de verdad se mantiene constante
Para medir una constante hace falta algo que sea constante, y si no hay una constante con la cual compararla, siempre me ha parecido una especie de error lógico no poder saber qué cosa es constante
Al final, solo podemos suponer que algo es constante, y quizá en realidad solo parece constante
Si lees el trabajo del físico Julian Barbour sobre el tiempo, puedes sacar ideas bastante sorprendentes. Es la perspectiva de que “el tiempo surge del cambio”: https://www.youtube.com/watch?v=GoTeGW2csPk
Si cambias la temperatura, ambos cambian de tamaño, pero al medirlos a varias temperaturas puedes obtener la razón entre los dos coeficientes de expansión térmica
Curiosamente, si usas un termómetro de mercurio, en la práctica estás midiendo casi todo en relación con el coeficiente de expansión térmica del mercurio
Si las constantes fundamentales no fueran siempre verdaderas, la materia de otras galaxias se comportaría distinto a la materia de nuestra galaxia. A veces se discute esto, pero otras personas siguen diciendo que, como la longitud de onda es la misma, todo lo demás también tendría que ser igual
Según recuerdo, esto ya se ha estudiado, pero no logro encontrar referencias ahora mismo
Entonces, ¿de verdad existen la materia oscura y la energía oscura, o nuestra comprensión de las leyes del universo es incompleta?
Si las constantes fundamentales hubieran sido distintas en el pasado, eso podría manifestarse solo como un cambio en las distancias que medimos
Si las constantes fundamentales pueden cambiar, me parece que eso violaría la conservación de la energía y la segunda ley de la termodinámica
Creo que alguien dijo algo como: “si tu teoría viola la segunda ley de la termodinámica, no tiene esperanza”. ¿Se me está escapando algo?
Porque no mucha gente llega a estudiar dinámica física, por ejemplo hasta el nivel de los 10 tomos de Landau
No es difícil imaginar una situación en la que la energía de un sistema cerrado cambie sin que aun así la entropía total disminuya. Por ejemplo, podría ser el caso de una disminución de energía en un sistema cerrado
Algunas cosas pueden parecer tremendamente constantes, pero tal vez haya que medirlas en escalas de tiempo absurdamente pequeñas o enormes, de modo que en la práctica sean casi imposibles de medir
Sigue siendo hasta cierto punto una pregunta abierta si la constante gravitacional G es realmente constante
Además, el resultado cambia según se use tiempo atómico o tiempo dinámico. Si se usa tiempo dinámico, no se detecta ninguna variación con reflectores láser lunares
Tal vez sea una pregunta tonta, pero ¿cómo se determina la exactitud del reloj más preciso? ¿No hay nada más exacto con qué compararlo?
Creo que probablemente se referían a la hipótesis del único electrón. Es una idea curiosa porque, en los diagramas de Feynman, un antielectrón parece un electrón que va hacia atrás en el tiempo
Entonces uno puede imaginar un solo electrón rebotando hacia adelante y hacia atrás en el tiempo, formando una línea de mundo entrelazada, y que a veces lo observamos como un antielectrón
Como el fotón no tiene antifotón, esta forma de pensarlo no encaja
En cualquier caso, es una idea entretenida de esas que Feynman sabía producir y que te hacen decir “¡guau!”, pero no parece que se tome como una teoría seria
Tanto experimentalmente como en la mejor teoría que tenemos, esos partículas son literalmente idénticas salvo por un signo menos en la variable temporal
Y también aplica al fotón. El antifotón existe, y es precisamente el propio fotón. El fotón es una partícula simétrica bajo inversión temporal
Feynman refutó de inmediato la idea señalando que hay más electrones que positrones