Escondido en lo profundo de un sótano en Stanford hay un tubo de 10 metros de altura, envuelto en una jaula de metal y envuelto en alambres. Una barrera lo separa de la sala principal, más allá del cual el cilindro se extiende por tres pisos hasta un aparato que contiene átomos ultrafríos listos para disparar hacia arriba. Mesas llenas de láseres para disparar a los átomos y analizar cómo responden a fuerzas como la gravedad llenan el resto del laboratorio.

El tubo es un interferómetro atómico, un dispositivo personalizado diseñado para estudiar la naturaleza ondulatoria de los átomos. Según la mecánica cuántica, los átomos existen simultáneamente como partículas y ondas. El instrumento de Stanford representa un modelo para un nuevo y ambicioso instrumento diez veces su tamaño que podría desplegarse para detectar ondas gravitacionales:diminutas ondas en el espacio-tiempo creadas por la energía que se disipa de los objetos astronómicos en movimiento. El instrumento también podría arrojar luz sobre otro misterio del universo:la materia oscura.

Los físicos experimentales de Stanford Jason Hogan y Mark Kasevich nunca tuvieron la intención de que su dispositivo se implementara de esta manera. Cuando Hogan comenzó sus estudios de posgrado en el laboratorio de Kasevich, en cambio, se centró en probar los efectos de la gravedad sobre los átomos. Pero las conversaciones con el físico teórico Savas Dimopoulos, un profesor de física, y sus estudiantes de posgrado, a menudo atraídos hacia abajo por una máquina de café expreso ubicada directamente al otro lado del pasillo de la oficina de Kasevich, los llevaron a comenzar a pensar en su utilidad como un detector altamente sensible.

"Solo estábamos hablando de física, como suelen hacer los físicos, "dice Kasevich, profesor de física y física aplicada en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford. Una cosa llevó a la otra y el grupo aterrizó en un plan audaz para crear un interferómetro atómico capaz de detectar ondas gravitacionales que nadie había visto antes.

Su idea encaja en otra ola que atraviesa la física, uno que implica la apropiación de instrumentos exquisitamente sensibles desarrollados con otros fines para responder preguntas fundamentales sobre la naturaleza.

Un nuevo método de detección

En 2015, el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) detectó una breve señal de una colisión de 1.300 millones de años entre dos agujeros negros supermasivos. Desde entonces, LIGO ha catalogado más ondas gravitacionales que atraviesan la Tierra, proporcionando a los astrónomos una nueva y poderosa lente con la que estudiar el universo.

Las ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo, como las olas del océano, excepto que distorsionan el espacio, no agua. En teoria, cualquier masa acelerada, ya sea una mano que agita o un planeta en órbita, produce ondas gravitacionales. Estos movimientos, sin embargo, ocurren a niveles muy por debajo de nuestra capacidad para detectarlos. Solo las ondas gravitacionales de inmensos fenómenos astronómicos causan cambios lo suficientemente grandes en el espacio-tiempo como para que puedan ser reconocidos por sensores en la Tierra.

Así como diferentes frecuencias componen el espectro electromagnético, las ondas gravitacionales también varían. LIGO y otros detectores de ondas gravitacionales actuales detectan un rango muy estrecho (ondas de alta frecuencia como las del momento en que chocan dos agujeros negros), pero otras partes del espectro de ondas gravitacionales permanecen sin explorar. Y así como los astrónomos pueden aprender cosas nuevas sobre una estrella al estudiar su luz ultravioleta frente a su luz visible, analizar datos de otras frecuencias de ondas gravitacionales podría ayudar a resolver misterios del espacio que actualmente están fuera de su alcance, incluidos los del universo temprano.

"Identificamos una región del espectro que no estaba bien cubierta por ningún otro detector, y resultó coincidir con los métodos que ya estábamos desarrollando, "dijo Hogan, profesor asistente de física en la Facultad de Humanidades y Ciencias.

Durante los estudios de posgrado de Hogan, él y sus colegas construyeron el interferómetro atómico de 10 metros de altura para probar algunas de sus ideas. Sin embargo, Para aumentar la sensibilidad del dispositivo, necesaria para detectar ondulaciones en el espacio-tiempo más pequeñas que el ancho de un protón, necesitan un detector más grande. Y así, el sensor interferométrico gradiómetro atómico de onda de materia de 100 metros, o MAGIS-100, nació el experimento.

Con la ayuda de una subvención de $ 9,8 millones de la Fundación Gordon y Betty Moore, Los científicos planean hacer un pozo subterráneo existente en Fermilab, un Laboratorio Nacional del Departamento de Energía en Illinois, El nuevo hogar de MAGIS-100.

"Puedes encontrar agujeros en el suelo, pero es un poco difícil encontrar un agujero en el suelo con un laboratorio adjunto, "dijo Rob Plunkett, un científico senior en Fermilab involucrado en el proyecto.

Conceptualmente MAGIS-100 funcionará de manera similar a LIGO. Ambos experimentos aprovechan la luz para medir la distancia entre dos masas de prueba, al igual que el alcance del radar. Pero mientras LIGO tiene espejos, MAGIS-100 favorece a los átomos.

"El átomo resulta ser una masa de prueba asombrosa para estos propósitos, ", dijo Hogan." Tenemos técnicas muy poderosas para manipularlo y permitir que sea insensible a todas las fuentes de ruido de fondo ".

Los espejos de LIGO cuelgan de hilos de vidrio, lo que significa que un terremoto podría activar sus sensores. MAGIS-100, por otra parte, tiene medidas en algunos lugares para evitar que tales fuentes de ruido extraño afecten sus datos.

Después de enfriarse a una fracción de grado por encima del cero absoluto, los átomos se dejan caer verticalmente en el eje como gotas de agua que gotean de un grifo. La temperatura gélida pone a los átomos en estado de reposo, para que permanezcan quietos mientras caen, y porque el eje es un vacío, los átomos se desploman sin riesgo de desviarse de su curso. La orientación vertical del eje también asegura que una Tierra temblorosa no afectará las medidas.

Luego, los láseres manipulan los átomos que caen y el equipo puede medir cuánto tiempo están en un estado excitado. Hogan y Kasevich esperan emplear estroncio como masa de prueba, el mismo elemento utilizado en los relojes atómicos, para determinar si hay retrasos en el tiempo cuando la luz excita a los átomos. Un retraso sugeriría el paso de una onda gravitacional.

Además, Los científicos de MAGIS-100 pueden usar los datos atómicos para probar las predicciones hechas por modelos de materia oscura. Según algunos modelos, la presencia de materia oscura podría provocar variaciones en los niveles de energía atómica. La tecnología láser supersensible permite que Plunkett y sus colaboradores busquen estas variaciones.

Mirando hacia el espacio

MAGIS-100 es un prototipo, otro paso hacia la construcción de un dispositivo aún más grande que sería muchas veces más sensible. Hogan y Kasevich dijeron que imaginan algún día construir algo a la escala de LIGO, que tiene 4 kilómetros de largo.

Debido a que un futuro MAGIS-100 a gran escala debería detectar ondas gravitacionales de baja frecuencia alrededor de 1 Hertz, como los que emiten dos agujeros negros que orbitan uno alrededor del otro, podría identificar los mismos eventos que LIGO ya ha visto, pero antes de que las masas choquen realmente. De este modo, los dos experimentos podrían complementarse entre sí.

"Podríamos hacer un detector que pudiera ver el mismo sistema, pero mucho mucho más joven, "dijo Hogan.

Los detectores avanzados de estilo MAGIS también pueden encontrar fuentes de ondas gravitacionales que vuelan bajo el radar de LIGO. Ondas gravitacionales primordiales, por ejemplo, producido momentos después del Big Bang.

"La detección de ondas gravitacionales que se originaron en el universo temprano puede arrojar luz sobre lo que realmente sucedió, "dijo Kasevich.

Nadie conoce las frecuencias de estas ondas gravitacionales primordiales o si el futuro detector a gran escala puede captarlas. Hogan dijo que cree que se deben construir tantos detectores como sea posible para cubrir una amplia gama de frecuencias y simplemente ver lo que hay ahí fuera.

"Las fuentes conocidas que son interesantes son estas fuentes similares a LIGO, "dijo Hogan." Luego está lo desconocido, a la que también deberíamos estar abiertos ".