¿Y si las constantes del universo no son tan constantes? Hemos dado un importante paso para saberlo. La clave está en el reloj nuclear
Los relojes atómicos han supuesto un antes y un después en nuestra capacidad para medir el tiempo de forma ultraprecisa. Este tipo de relojes son precisos a tal nivel que algunos de los más exactos se desacompasarían en menos de un segundo en el tiempo en el que el universo lleva existiendo. A pesar de ello, estos relojes no son lo suficientemente precisos para resolver una de las incógnitas más importantes en la física. Más cerca del reloj nuclear. Ahora sin embargo nos encontramos un poco más cerca de lograr un hito que nos puede abrir la puerta a resolver este tipo de dudas, los relojes nucleares. Estos relojes nos permitirán avanzar varios órdenes de magnitud en la creación de aparatos de medición del tiempo, relojes ultraprecisos para indagar en la nueva física. Del atómico al nuclear. La nomenclatura puede llevar a confusión, y es que cuando hablamos de relojes atómicos y relojes nucleares no estamos hablando de la misma tecnología. Mientras que el mecanismo de los relojes atómicos depende del estado de excitación de los electrones del átomo; en los relojes nucleares, este depende de las partículas en en núcleo. Como su propio nombre indica. Los relojes atómicos dependen de las transiciones en el estado de sus electrones. Cuando estos absorben energía, pueden dar “saltos” en su estado. Saltos que pueden revertirse, solo que cuando esto ocurre, es el electrón el que emite energía en forma de radiación electromagnética. Algo similar ocurre en el núcleo de los átomos, solo que, al estar el núcleo más aislado de otras interacciones físicas exteriores al átomo, las transiciones de sus partículas subatómicas resultarían aún más precisas y fiables que las que se dan en la “coraza” atómica formada por los electrones. En Xataka La primera persona que hizo una demostración crucial en física nuclear fue una mujer china de los años 50 Torio-229. Para hacer que un reloj nuclear funcione, necesitamos también transferir energía al átomo, a su núcleo, claro. Cuando golpeamos el núcleo con una frecuencia específica de radiación electromagnética, podemos cambiar su estado energético, como si de un interruptor se tratara. Los relojes nucleares, como los atómicos, tendrían solo que ir contando los cambios energéticos en este contexto. El problema es que causar estos saltos en el núcleo atómico es, también más difícil. La principal dificultad está en lograr excitar los núcleos atómicos lo suficiente como para provocar los “saltos”. Para ello debemos golpear estos núcleos con rayos X coherentes, un tipo de rayos X de alta frecuencia y por consiguiente de alta energía. Tanta que, en general no disponemos de los instrumentos necesarios para producirlos. “En general”. Y es que, como ocurre con los electrones, no todos estos “saltos” requieren la misma energía. Hace casi medio siglo, unos investigadores se dieron cuenta de que los núcleos atómicos del isótopo Torio-229 (229Th) contaba con un un salto que requería la energía equivalente a la de la luz ultravioleta. Al requerir menos energía, construir un láser capaz de transferir la energía al núcleo, se tornaba en algo factible. Medio siglo de trabajo. La “transición nuclear” del torio fue descubierta en 1976. Pero aquello fue solo el principio. Y es que no sería hasta 2016 que lograríamos observarla y medirla. Medirla es clave, ya que si queremos forzar la transición debemos saber la frecuencia exacta con la que tenemos que “bombardear” el núcleo atómico de este isótopo para poder forzarla y activar el proceso. ¿Cómo de cerca estamos realmente? Hace unos meses, un grupo de investigadores puso a prueba algunos de los elementos clave detrás de esta tecnología, lo que nos permite hacernos una idea de lo cerca que nos encontramos de poder crear un reloj nuclear basado en el 229Th. El equipo puso a prueba un láser ultravioleta capaz de crear la energía precisa para forzar los saltos en el estado del núcleo. También estudió una “rejilla de frecuencias” para poder medir directamente estos saltos. Además, también estudiaron de nuevo la propia transición del torio-229. Los detalles del estudio fueron publicados en un artículo en la revista Nature. De la materia oscura a las constantes universales. ¿Y todo esto para qué? ¿Acaso necesitamos realmente relojes más precisos que los atómicos? Lo cierto es que esta nueva tecnología tendría importantes beneficios, primero para la comunidad científica, pero también para el conjunto de los ciudadanos. Estos relojes podrán ayudarnos a mejorar tecnologías como el GPS y otros sistemas de navegación; y también la sincronización de internet global, haciendo la conexión también más rápida y las comunicaciones más seguras. También nos abriría la puerta a mediciones más precisas que nos ayuden a aclarar algunos de los misterios que persiguen a los físicos como el de la materia oscura. Quizá más importante, estos relojes podrían ayudarnos
Los relojes atómicos han supuesto un antes y un después en nuestra capacidad para medir el tiempo de forma ultraprecisa. Este tipo de relojes son precisos a tal nivel que algunos de los más exactos se desacompasarían en menos de un segundo en el tiempo en el que el universo lleva existiendo. A pesar de ello, estos relojes no son lo suficientemente precisos para resolver una de las incógnitas más importantes en la física.
Más cerca del reloj nuclear. Ahora sin embargo nos encontramos un poco más cerca de lograr un hito que nos puede abrir la puerta a resolver este tipo de dudas, los relojes nucleares. Estos relojes nos permitirán avanzar varios órdenes de magnitud en la creación de aparatos de medición del tiempo, relojes ultraprecisos para indagar en la nueva física.
Del atómico al nuclear. La nomenclatura puede llevar a confusión, y es que cuando hablamos de relojes atómicos y relojes nucleares no estamos hablando de la misma tecnología. Mientras que el mecanismo de los relojes atómicos depende del estado de excitación de los electrones del átomo; en los relojes nucleares, este depende de las partículas en en núcleo. Como su propio nombre indica.
Los relojes atómicos dependen de las transiciones en el estado de sus electrones. Cuando estos absorben energía, pueden dar “saltos” en su estado. Saltos que pueden revertirse, solo que cuando esto ocurre, es el electrón el que emite energía en forma de radiación electromagnética.
Algo similar ocurre en el núcleo de los átomos, solo que, al estar el núcleo más aislado de otras interacciones físicas exteriores al átomo, las transiciones de sus partículas subatómicas resultarían aún más precisas y fiables que las que se dan en la “coraza” atómica formada por los electrones.
Torio-229. Para hacer que un reloj nuclear funcione, necesitamos también transferir energía al átomo, a su núcleo, claro. Cuando golpeamos el núcleo con una frecuencia específica de radiación electromagnética, podemos cambiar su estado energético, como si de un interruptor se tratara. Los relojes nucleares, como los atómicos, tendrían solo que ir contando los cambios energéticos en este contexto.
El problema es que causar estos saltos en el núcleo atómico es, también más difícil. La principal dificultad está en lograr excitar los núcleos atómicos lo suficiente como para provocar los “saltos”. Para ello debemos golpear estos núcleos con rayos X coherentes, un tipo de rayos X de alta frecuencia y por consiguiente de alta energía. Tanta que, en general no disponemos de los instrumentos necesarios para producirlos.
“En general”. Y es que, como ocurre con los electrones, no todos estos “saltos” requieren la misma energía. Hace casi medio siglo, unos investigadores se dieron cuenta de que los núcleos atómicos del isótopo Torio-229 (229Th) contaba con un un salto que requería la energía equivalente a la de la luz ultravioleta. Al requerir menos energía, construir un láser capaz de transferir la energía al núcleo, se tornaba en algo factible.
Medio siglo de trabajo. La “transición nuclear” del torio fue descubierta en 1976. Pero aquello fue solo el principio. Y es que no sería hasta 2016 que lograríamos observarla y medirla. Medirla es clave, ya que si queremos forzar la transición debemos saber la frecuencia exacta con la que tenemos que “bombardear” el núcleo atómico de este isótopo para poder forzarla y activar el proceso.
¿Cómo de cerca estamos realmente? Hace unos meses, un grupo de investigadores puso a prueba algunos de los elementos clave detrás de esta tecnología, lo que nos permite hacernos una idea de lo cerca que nos encontramos de poder crear un reloj nuclear basado en el 229Th.
El equipo puso a prueba un láser ultravioleta capaz de crear la energía precisa para forzar los saltos en el estado del núcleo. También estudió una “rejilla de frecuencias” para poder medir directamente estos saltos. Además, también estudiaron de nuevo la propia transición del torio-229.
Los detalles del estudio fueron publicados en un artículo en la revista Nature.
De la materia oscura a las constantes universales. ¿Y todo esto para qué? ¿Acaso necesitamos realmente relojes más precisos que los atómicos? Lo cierto es que esta nueva tecnología tendría importantes beneficios, primero para la comunidad científica, pero también para el conjunto de los ciudadanos.
Estos relojes podrán ayudarnos a mejorar tecnologías como el GPS y otros sistemas de navegación; y también la sincronización de internet global, haciendo la conexión también más rápida y las comunicaciones más seguras.
También nos abriría la puerta a mediciones más precisas que nos ayuden a aclarar algunos de los misterios que persiguen a los físicos como el de la materia oscura. Quizá más importante, estos relojes podrían ayudarnos a desarrollar experimentos que resuelvan una de las dudas más importantes de la física, la de si las constantes universales son realmente constantes y no cambian dependiendo de factores como la edad del universo o el marco de referencia en el que nos hallemos, como hasta ahora asumimos.
En Xataka | Los cosmólogos tienen cada vez más claro de dónde salen las partículas más energéticas del universo
Imagen | NSIT
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La noticia
¿Y si las constantes del universo no son tan constantes? Hemos dado un importante paso para saberlo. La clave está en el reloj nuclear
fue publicada originalmente en
Xataka
por
Pablo Martínez-Juarez
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