¿Qué se necesitará para detectar materia oscura, la sustancia invisible y casi intangible que podría constituir cinco sextas partes de toda la materia en el universo? Debería haber materia oscura a nuestro alrededor, ejerciendo pequeños efectos sobre la materia normal, pero hasta ahora las búsquedas no han dado resultados. Sin embargo, un nuevo estudio sugiere que una estrategia que emplee aprendizaje automático podría ayudar a los sensores cuánticos a rastrearla finalmente. Dichos sensores hipersensibles también podrían tener otras aplicaciones, como la navegación sin GPS, la detección de búnkeres subterráneos y el descubrimiento de ondulaciones gravitacionales en el espacio-tiempo desde los momentos posteriores al Big Bang.
Sabemos que la materia oscura existe por su impacto gravitacional en el movimiento de las galaxias. Pero no sabemos de qué está hecha ni cómo podría interactuar con las partículas cotidianas que forman parte de ti o de mí. Aunque los científicos han ideado docenas de modelos sobre la composición potencial de la materia oscura y sus propiedades precisas, la mayoría de esas propuestas predicen efectos infinitesimales en las partículas normales. Una posibilidad para detectar estas interacciones diminutas se encuentra en los sensores cuánticos. Los efectos cuánticos son vulnerables a interferencias externas, y los sensores cuánticos aprovechan esa fragilidad para responder a las más mínimas perturbaciones en el entorno, como una interacción entre materia oscura y materia normal.
El nuevo estudio se centra en los interferómetros de átomos, un tipo de sensor cuántico que depende de un efecto conocido como superposición, donde un átomo puede, esencialmente, existir en dos o más lugares al mismo tiempo. Los sensores tienen estos estados tipo gato de Schrödinger, en los cuales un átomo viaja por caminos separados y luego se recombina. Debido a la dualidad onda-partícula —un fenómeno cuántico en el que las partículas pueden comportarse como ondas, y viceversa—, estos átomos interfieren entre sí, con los picos y valles de sus ondas suprimiéndose o amplificándose mutuamente. Examinar esta interferencia puede revelar la magnitud de los movimientos ligeramente diferentes experimentados en los distintos trayectos.
Una estrategia que los científicos utilizan para aumentar la sensibilidad de estos interferómetros se basa en los pulsos láser que emplean estos sensores para dividir ondas atómicas y reflejarlas entre sí. Estos pulsos láser toman el lugar de los espejos convencionales en la interferometría óptica. Cada vez que las ondas atómicas rebotan en uno de estos espejos efímeros, “la señal que estamos buscando puede amplificarse, de manera similar a cómo las señales de luz pueden amplificarse al rebotar en una cavidad revestida de espejos”, dice Timothy Kovachy, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad Northwestern de Evanston, Illinois.
Sin embargo, el número de veces que una onda atómica puede experimentar tales reflexiones depende de la calidad del espejo atómico, y “es bastante difícil hacer un buen espejo atómico”, agrega Kovachy.
Ahora, en el nuevo estudio, Kovachy y sus colegas han revelado una estrategia para aumentar el número de reflexiones posibles en los espejos atómicos. Utilizando aprendizaje automático, en lugar de reflejar ondas atómicas en una secuencia de aproximadamente 10 pulsos láser como máximo, el nuevo enfoque permite una secuencia de aproximadamente 500 pulsos.
Interferómetros de Átomos Más Sensibles
La nueva estrategia “no insiste en hacer el espejo atómico perfecto”, dice Kovachy. “En cambio, busca una forma de mejorar el esfuerzo colectivo neto de muchos espejos atómicos diferentes, compensando las imperfecciones de cada espejo atómico individual”. El resultado es una mejora de 50 veces en el rendimiento de un interferómetro atómico en pruebas de laboratorio.
“Cuando comenzamos este trabajo, realmente no me imaginaba que fuera posible alcanzar este grado de mejora,” dice Kovachy. “Siempre es agradable cuando hay sorpresas positivas.”
Los investigadores ahora esperan implementar su nueva técnica en”.las primeras campañas de búsqueda importantes de materia oscura con interferómetros de átomos, que están actualmente en construcción,” dice Kovachy. “Esperamos que las primeras búsquedas estén disponibles en tres a cinco años más o menos. Esperamos, junto con una mejor óptica atómica, aumentar su sensibilidad potencialmente en múltiples órdenes de magnitud en comparación con lo que los interferómetros atómicos son capaces de hacer ahora.”
Los interferómetros de átomos más precisos también podrían tener otras aplicaciones, como la navegación independiente del GPS, señala Kovachy. Los enlaces satelitales que ayudan a habilitar los sistemas globales de navegación por satélite no funcionan bajo el agua o bajo tierra, y donde sí funcionan, son susceptibles de interferencia, suplantación y clima. Un sensor de movimiento cuántico podría servir como la base para un sistema de navegación inercial que no dependa de señales externas.
Kovachy agrega que los interferómetros de átomos también pueden ayudar a medir la intensidad del campo gravitacional de la Tierra, que puede variar en la superficie del planeta dependiendo de la cantidad de masa concentrada debajo de él. Las aplicaciones potenciales de tales sensores de gravedad incluyen la visualización de estructuras ocultas bajo tierra, la detección de recursos naturales subterráneos, el descubrimiento de sitios arqueológicos subterráneos y la monitorización de la actividad volcánica y los flujos de agua subterránea.
“Realmente no me imaginaba que fuera posible alcanzar este grado de mejora.” —Timothy Kovachy, Universidad Northwestern
Los interferómetros de átomos a gran escala que tienen 100 metros de altura o incluso más (en comparación, los interferómetros atómicos estándar solo miden de 1 a 2 metros de alto) que están en desarrollo podrían algún día incluso ayudar a detectar ondulaciones en el espacio-tiempo conocidas como ondas gravitacionales. Los científicos descubrieron la primera evidencia directa de estas ondas usando el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) en 2015, probablemente causadas cuando dos agujeros negros colisionaron. Los interferómetros atómicos podrían, teóricamente, detectar ondas gravitacionales de eventos significativamente diferentes, como la misteriosa época propuesta conocida como inflación, cuando el universo experimentó una expansión titánica momentos después del Big Bang, dice Kovachy.
La investigación futura debería investigar esta nueva técnica con diferentes tipos de interferómetros de átomos. En el nuevo estudio, los científicos experimentaron con un dispositivo basado en átomos de estroncio, pero”.los átomos de rubidio son definitivamente la herramienta principal de la interferometría atómic”., dice Kovachy.
Los científicos detallaron sus hallazgos el 11 de diciembre en la revista Physical Review Letters.
