Los avances en espectroscopia nuclear podrían reescribir las constantes fundamentales de la naturaleza.

Durante casi 50 años, los físicos han soñado con los secretos que podrían descubrir elevando el estado energético del núcleo de un átomo con un láser. Este avance permitiría que los relojes atómicos actuales sean reemplazados por un reloj atómico que sería el más preciso jamás creado, permitiendo avances como la navegación y las comunicaciones en el espacio profundo. También permitiría a los científicos medir con precisión si las constantes fundamentales de la naturaleza son, de hecho, verdaderamente constantes o simplemente parecen serlo porque aún no las hemos medido con precisión.

Ahora, un esfuerzo liderado por Eric Hudson, profesor de física y astronomía en UCLA, ha logrado lo que parecía imposible. Al incrustar un átomo de torio dentro de un cristal altamente transparente y bombardearlo con láseres, el grupo de Hudson logró hacer que el núcleo del átomo de torio absorbiera y emitiera los mismos electrones del átomo. Esta asombrosa hazaña se describe en un artículo publicado en la revista cartas de examen fisico.

Esto significa que las mediciones del tiempo, la gravedad y otros campos que se realizan actualmente utilizando electrones atómicos se pueden realizar con órdenes de magnitud de mayor precisión. Esto se debe a que los electrones atómicos se ven afectados por muchos factores de su entorno, que afectan la forma en que absorben y emiten fotones y limitan su precisión. Por otro lado, los neutrones y protones están unidos y altamente concentrados dentro del núcleo y experimentan menos perturbaciones atmosféricas.

Utilizando la nueva tecnología, los científicos pueden determinar si varían las constantes fundamentales, como la constante de estructura fina que determina la intensidad de la fuerza que mantiene unidos a los átomos. Las pistas astrológicas sugieren que la constante de estructura fina puede no ser la misma en todas partes del universo o en todos los momentos. Las mediciones precisas utilizando relojes atómicos de constantes de estructura fina podrían reescribir por completo algunas de estas leyes fundamentales de la naturaleza.

“Las fuerzas nucleares son tan fuertes que significa que la energía en el núcleo es un millón de veces más fuerte que la que se ve en los electrones, lo que significa que si las constantes fundamentales de la naturaleza se desvían, entonces “el uso del reloj atómico para estas mediciones proporcionará la “Es la prueba más sensible de ‘variación constante’ hasta la fecha y probablemente no será igualada por ningún experimento durante los próximos 100 años”, dijo Hudson.

El grupo de Hudson fue el primero en proponer una serie de experimentos para dopar núcleos de torio-229 en cristales con láseres, y ha trabajado durante los últimos 15 años para obtener los resultados recientemente publicados. Es difícil lograr que los neutrones de los núcleos atómicos reaccionen a la luz láser porque están rodeados de electrones, que reaccionan fácilmente a la luz y pueden reducir la cantidad de fotones capaces de llegar al núcleo. Se dice que una partícula que ha elevado su nivel de energía, por ejemplo al absorber un fotón, está en un estado “excitado”.

El equipo de UCLA incrustó átomos de torio-229 dentro de cristales transparentes ricos en flúor. El flúor puede formar enlaces particularmente fuertes con otros átomos, suspendiendo los átomos y exponiendo el núcleo como una mosca en una telaraña. Los electrones estaban tan fuertemente unidos al flúor que se necesitaba demasiada energía para excitarlos, permitiendo que la luz de baja energía llegara al núcleo. Los núcleos de torio pueden luego absorber estos fotones y reemitirlos, lo que permite detectar y medir la excitación de los núcleos. Al cambiar la energía del fotón y monitorear la tasa de excitación nuclear, el equipo pudo medir la energía del estado nuclear excitado.

“Nunca antes habíamos podido impulsar la transferencia nuclear con un láser como este”, dijo Hudson. “Si colocas torio en su lugar con un cristal transparente, puedes hablarle con luz”.

Hodgson dijo que la nueva tecnología podría encontrar aplicaciones en detección, comunicaciones y navegación dondequiera que se requiera una precisión extrema en el cronometraje. Los relojes atómicos actuales basados ​​en electrones son artilugios del tamaño de una habitación con cámaras de vacío que atrapan átomos y dispositivos de enfriamiento asociados. Un reloj atómico basado en torio sería mucho más pequeño, más robusto, más portátil y más preciso.

“A nadie le entusiasman los relojes porque no nos gusta la idea de que el tiempo sea limitado”, afirmó. “Pero utilizamos relojes atómicos todo el tiempo todos los días, por ejemplo, en las tecnologías que hacen funcionar nuestros teléfonos móviles y GPS”.

Más allá de las aplicaciones comerciales, la nueva espectroscopia nuclear podría levantar el velo sobre los mayores misterios del universo. Las mediciones sensibles del núcleo atómico abren una nueva forma de conocer sus propiedades e interacciones con la energía y el medio ambiente. Esto, a su vez, permitirá a los científicos probar algunas de sus teorías fundamentales sobre la materia, la energía y las leyes del espacio y el tiempo.

“Los humanos, como la mayoría de la vida en la Tierra, existen en escalas demasiado pequeñas o demasiado grandes para observar lo que realmente sucede en el universo”, dijo Hudson. “Lo que podemos observar con nuestra perspectiva limitada es una colección de efectos en diferentes escalas de tamaño, tiempo y energía, y las constantes de la naturaleza que hemos establecido parecen existir en este nivel.

“Pero si pudiéramos observar más claramente, ¡estas pruebas podrían ser diferentes! Nuestro trabajo ha dado un gran paso hacia estas mediciones y, de cualquier manera, estoy seguro de que lo que aprendamos nos sorprendería si las hubiera”.

Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

“Durante décadas, mediciones cada vez más precisas de constantes fundamentales nos han permitido comprender mejor el universo en todas las escalas y posteriormente desarrollar nuevas tecnologías que hagan crecer nuestra economía y fortalezcan nuestra seguridad nacional”, dijo Dennis Caldwell, subdirector interino de matemáticas y física de la NSF. Dirección de Ciencias, que financió la investigación. “Esta técnica basada en el núcleo podría algún día permitir a los científicos medir ciertas constantes fundamentales para que tengamos que dejar de llamarlas ‘constantes'”.