El universo es un lugar asombrosamente secreto. Sustancias misteriosas conocidas como materia oscura y energía oscura representan alrededor del 95% de ella. A pesar de un gran esfuerzo por descubrir cuáles son, simplemente no lo sabemos.

Sabemos que la materia oscura existe debido a la atracción gravitacional de los cúmulos de galaxias; la materia que podemos ver en un cúmulo no es suficiente para mantenerla unida por la gravedad. Entonces debe haber algún material extra allí, compuesto por partículas desconocidas que simplemente no son visibles para nosotros. Ya se han propuesto varias partículas candidatas.

Los científicos están tratando de averiguar qué son estas partículas desconocidas observando cómo afectan la materia ordinaria que vemos a nuestro alrededor. Pero hasta ahora ha resultado difícil, por lo que sabemos que, en el mejor de los casos, interactúa solo débilmente con la materia normal. Ahora, mi colega Benjamin Varcoe y yo hemos ideado una nueva forma de sondear la materia oscura que puede resultar exitosa:mediante el uso de átomos que se han estirado a 4, 000 veces más grande de lo habitual.

Átomos ventajosos

Hemos recorrido un largo camino desde la visión griega de los átomos como componentes indivisibles de toda la materia. El primer argumento basado en evidencia para la existencia de átomos fue presentado a principios del siglo XIX por John Dalton. Pero no fue hasta principios del siglo XX que JJ Thomson y Ernest Rutherford descubrieron que los átomos están formados por electrones y un núcleo. Poco después Erwin Schrödinger describió el átomo matemáticamente usando lo que hoy se llama teoría cuántica.

Los experimentos modernos han podido atrapar y manipular átomos individuales con una precisión excepcional. Este conocimiento se ha utilizado para crear nuevas tecnologías, como láseres y relojes atómicos, y las computadoras del futuro pueden usar átomos individuales como sus componentes principales.

Los átomos individuales son difíciles de estudiar y controlar porque son muy sensibles a las perturbaciones externas. Esta sensibilidad suele ser un inconveniente, pero nuestro estudio sugiere que hace que algunos átomos sean ideales como sondas para la detección de partículas que no interactúan fuertemente con la materia regular, como la materia oscura.

Nuestro modelo se basa en el hecho de que las partículas que interactúan débilmente deben rebotar desde el núcleo del átomo con el que choca e intercambiar una pequeña cantidad de energía con él, similar a la colisión entre dos bolas de billar. El intercambio de energía producirá un desplazamiento repentino del núcleo que eventualmente será sentido por el electrón. Esto significa que toda la energía del átomo cambia, que se puede analizar para obtener información sobre las propiedades de la partícula en colisión.

Sin embargo, la cantidad de energía transferida es muy pequeña, por lo que es necesario un tipo especial de átomo para que la interacción sea relevante. Descubrimos que el llamado "átomo de Rydberg" haría el truco. Estos son átomos con grandes distancias entre el electrón y el núcleo, lo que significa que poseen un alto potencial de energía. La energía potencial es una forma de energía almacenada. Por ejemplo, una pelota en un estante alto tiene energía potencial porque esta podría convertirse en energía cinética si se cae del estante.

En el laboratorio, es posible atrapar átomos y prepararlos en un estado de Rydberg, haciéndolos tan grandes como 4, 000 veces su tamaño original. Esto se hace iluminando los átomos con un láser con luz a una frecuencia muy específica.

Este átomo preparado es probablemente mucho más pesado que las partículas de materia oscura. Entonces, en lugar de que una bola de billar golpee a otra, una descripción más apropiada sería una canica golpeando una bola de boliche. Parece extraño que los átomos grandes se vean más perturbados por las colisiones que los pequeños; uno puede esperar lo contrario (las cosas más pequeñas suelen verse más afectadas cuando se produce una colisión).

La explicación está relacionada con dos características de los átomos de Rydberg:son muy inestables debido a su energía elevada, por lo que las perturbaciones menores los molestarían más. También, debido a su gran área, aumenta la probabilidad de que los átomos interactúen con las partículas, por lo que sufrirán más colisiones.

Detectando las partículas más pequeñas

Los experimentos actuales generalmente buscan partículas de materia oscura al tratar de detectar su dispersión en núcleos atómicos o electrones en la Tierra. Lo hacen buscando electrones ligeros o libres en grandes tanques de gases nobles líquidos que se generan por transferencia de energía entre la partícula de materia oscura y los átomos del líquido.

Pero, según las leyes de la mecánica cuántica, Es necesario que haya una cierta transferencia de energía mínima para que se produzca la luz. Una analogía sería una partícula que choca con una cuerda de guitarra:producirá una nota que podemos escuchar, pero si la partícula es demasiado pequeña, la cuerda no vibrará en absoluto.

Entonces, el problema con estos métodos es que la partícula de materia oscura tiene que ser lo suficientemente grande si queremos detectarla de esta manera. Sin embargo, Nuestros cálculos muestran que los átomos de Rydberg serán perturbados de manera significativa incluso por partículas de baja masa, lo que significa que se pueden aplicar para buscar candidatos de materia oscura que otros experimentos no detectan. Una de esas partículas es el Axion, una partícula hipotética que es un fuerte candidato para la materia oscura.

Los experimentos requerirían que los átomos fueran tratados con extremo cuidado, pero no será necesario realizarlos en una instalación subterránea profunda como otros experimentos, ya que se espera que los átomos de Rydberg sean menos susceptibles a los rayos cósmicos en comparación con la materia oscura.

Estamos trabajando para mejorar aún más la sensibilidad del sistema, con el objetivo de ampliar la gama de partículas que puede percibir.

Más allá de la materia oscura, también pretendemos aplicarla algún día para la detección de ondas gravitacionales, las ondas en la estructura del espacio predichas por Einstein hace mucho tiempo. Estas perturbaciones del continuo espacio-tiempo se han descubierto recientemente, pero creemos que mediante el uso de átomos podemos detectar ondas gravitacionales con una frecuencia diferente a las ya observadas.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.