?tomos en ¡®ca¨ªda libre¡¯ para rastrear los fotones oscuros

F¨ªsicos de la Universidad de California en Berkeley han medido con precisi¨®n la fuerza que gobierna la carga el¨¦ctrica, los imanes y la luz haciendo rebotar esta ¨²ltima contra ¨¢tomos en ca¨ªda. Esta medici¨®n tiene consecuencias trascendentales para la f¨ªsica que van desde desvelar qu¨¦ hay en el interior de un electr¨®n hasta comprender el comportamiento de la materia oscura en las galaxias lejanas.

Como explican en un art¨ªculo publicado la pasada semana en la revista Science, los cient¨ªficos han estudiado en detalle c¨®mo reaccionan los ¨¢tomos de cesio al impacto de los fotones (part¨ªculas de luz). Para ello, los lanzaron varios metros hacia arriba en el aparato de medici¨®n, y a continuaci¨®n los bombardearon con fotones mientras ca¨ªan.

Utilizando los ¨¢tomos de cesio midieron la constante de estructura fina con m¨¢s precisi¨®n de la lograda hasta ahora por ning¨²n experimento. Esta constante caracteriza la fuerza electromagn¨¦tica, responsable de infinidad de fen¨®menos f¨ªsicos y famosa por su funci¨®n en la electricidad, el magnetismo y la luz.

El valor de la constante de estructura fina que comunican los autores del art¨ªculo es tan preciso que la incertidumbre no se manifiesta hasta el d¨¦cimo decimal. El resultado es comparable a medir la longitud del Gran Ca?¨®n con la precisi¨®n del grosor de un cabello humano. Sus resultados desaf¨ªan los l¨ªmites de la f¨ªsica conocida y tal vez nos proporcionen una pista de qu¨¦ hay m¨¢s all¨¢.

El resultado es comparable a medir la longitud del Gran Ca?¨®n con la precisi¨®n del grosor de un cabello humano

Por ejemplo, esta medici¨®n puede servir para comprobar la existencia de la materia oscura, la misteriosa sustancia responsable del 27% de la masa y la energ¨ªa del universo que, seg¨²n se cree, rodea las galaxias. Varios f¨ªsicos sostienen la teor¨ªa de que es posible que la materia oscura interact¨²e con los fotones oscuros, la versi¨®n 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.

Seg¨²n Holger M¨¹ller, investigador principal y coautor del trabajo, los fotones oscuros rastreados en su experimento deber¨ªan de interactuar con las part¨ªculas de materia oscura. El investigador afirma que el fot¨®n oscuro es ¡°una part¨ªcula 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 tambi¨¦n permiten obtener informaci¨®n sobre el interior de una part¨ªcula ya conocida: el electr¨®n. Si el electr¨®n est¨¢ compuesto por otras part¨ªculas ocultas, estas tambi¨¦n deber¨ªan afectar a la constante de estructura fina. El grupo de M¨¹ller no ha observado este efecto. Ahora sabemos que, o bien las part¨ªculas del interior del electr¨®n tienen efectos m¨¢s d¨¦biles de lo pensado, o bien este no est¨¢ compuesto por nuevas part¨ªculas.

La t¨¦cnica que hace posible estas mediciones precisas se llama interferometr¨ªa de ondas de materia. Hace tiempo que los f¨ªsicos saben que la materia ¨Ccomo, por ejemplo, los ¨¢tomos¨C puede comportarse como una ola. El equipo de M¨¹ller puede manipular esas ondas de materia y conseguir que interfieran entre s¨ª de manera parecida a las ondas en un estanque. Cuando, en su experimento, los ¨¢tomos de cesio caen, sus ondas de materia interfieren. La interferencia revela y refuerza determinadas propiedades sutiles de los ¨¢tomos. En este caso se utiliz¨® para comprobar el retroceso del cesio tras haber sido bombardeado con fotones.

Trabajamos de manera que logr¨¢semos entender todas las sorpresas hasta que dejaban de serlo

A fin de lograr una precisi¨®n a¨²n 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. M¨¹ller 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 cient¨ªficos comprobaron dos veces cada componente del experimento y del equipo. Seg¨²n su director, ¡°trabajamos de manera que logr¨¢semos entender todas las sorpresas hasta que dejaban de serlo¡±.

La interferometr¨ªa de las ondas de materia forma parte de un esfuerzo continuado de los f¨ªsicos por descubrir la materia oscura. Con anterioridad, un experimento independiente hab¨ªa detectado una ligera anomal¨ªa en las propiedades magn¨¦ticas del muon, el pariente pesado del electr¨®n. La responsabilidad se atribuy¨® a los fotones oscuros. Si esto fuese cierto, ¡°los fotones oscuros influir¨ªan tambi¨¦n en los observables de los electrones, los cuales, como se desprende de los resultados del art¨ªculo, no muestran esta discrepancia¡±, afirma David G. Cerde?o, especialista en materia oscura de la Universidad de Durham. Aun as¨ª, cabe la posibilidad de que los fotones oscuros existan, si bien M¨¹ller y los coautores del trabajo puntualizan? que es muy probable que no expliquen la irregularidad del muon.

Seg¨²n el cient¨ªfico, en estos momentos la medici¨®n 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 teor¨ªa, pero no es demasiado sorprendente dado el error. Si la precisi¨®n aumenta, es posible que la diferencia se acent¨²e. Con los avances en la t¨¦cnica de la interferometr¨ªa de las ondas de materia se abre la puerta a una mayor precisi¨®n. Una discordancia altamente precisa podr¨ªa ser el primer indicio del descubrimiento de nuevas part¨ªculas de materia oscura.

Rachel Houtz es investigadora en el proyecto europeo Elusives, que aborda el estudio de neutrinos, materia oscura y f¨ªsica m¨¢s all¨¢ del modelo est¨¢ndar (H2020-MSCA-ITN-2015//674896-Elusives).?