FÍSICA

Relojes para medir si las constantes fundamentales son constantes

El diseño de relojes basados en las moléculas más simples podría mejorar los dispositivos actuales basados en transiciones atómicas, como los relojes de cesio. El resultado podría ser tan preciso como para medir si las constantes fundamentales sufren alguna variación.

Reloj de cesio
Reloj de cesio National Physical Laboratory; United Kingdom

Una de las preguntas que están siempre en el inconsciente de los físicos es si las constantes fundamentales, las que hemos medido desde la Tierra en los últimos dos siglos, son realmente valores constantes en toda la extensión del universo y para todas las épocas del mismo. Se asume que sí lo son en las distintas teorías, pero ¿cómo averiguarlo? Una de las formas es medir cantidades como la razón entre las masas del protón y el electrón con una precisión extraordinaria.

Démonos cuenta de qué estamos hablando. La masa del protón es del orden de 1.672621777(74)×10−27 kg y la del electrón de 9.10938291(40)×10−31 kg, por lo que su razón es un número adimensional μ = 1836.15267245(75), el mismo en cualquier sistema de unidades. Esta constante fundamental es importante porque tanto el protón (el barión más importante) como el electrón (el leptón más importante) son partículas estables, esto es, no se desintegran. Además protón y electrón son componentes básicos de la materia bariónica, que es la materia que estudia mayoritariamente la ciencia, y su razón es, junto a la constante de estructura fina, una de las constantes adimensionales que aparecen en física de partículas.

Para medir μ con gran precisión se pueden usar moléculas sencillas en las que sólo estén pocas partículas pero con suficiente estructura como para que vibren y tengan por tanto frecuencias vibracionales que dependen de las masas, por lo que pequeños cambios en las frecuencias indicarían pequeños cambios en μ. En este sentido un sólo átomo no nos sirve. Pero para medir estas frecuencias vibracionales con mejor precisión hace falta una nueva generación de relojes. 

Esto es así porque el reloj de cesio, lo que se suele llamar un reloj atómico, tiene una incertidumbre del orden de unas pocas partes en 1016. Ahora un grupo de investigadores encabezado por Stephan Schiller, de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (Alemania), proponen que relojes basados en las moléculas más simples, como H2+ (hidrógeno molecular ionizado, dos protones y un electrón) y HD+ (hidrógeno-deuterio ionizado, dos protones y neutrón y un electrón) podrían permitir llegar a incertidumbre del orden de 10-17, mejorando los dispositivos actuales basados en transiciones atómicas.

La gran ventaja de las moléculas como el hidrógeno molecular y asimiladas es que sus propiedades pueden ser calculadas teóricamente con una precisión altísima, permitiendo la selección óptima de las frecuencias de transición molecular. Y lo que podría interpretarse como una desventaja, la complejidad de una molécula frente a la “sencillez” de un átomo, puede de hecho aumentar la precisión ya que un subconjunto “robusto” de las muchas líneas de transición molecular es extremadamente poco sensible a los campos eléctricos y magnéticos externos.

Por si lo anterior no fuese suficiente los autores proponen rizar el rizo un poco más: un método de “frecuencia compuesta” en el que la frecuencia del reloj es la resultante de la suma ponderada de los múltiplos de estas frecuencias “robustas”. Dado que los desplazamientos de estas transiciones debido a las perturbaciones tienen diferentes valores se terminan cancelando para dar una frecuencia compuesta con una precisión muy mejorada.

Los autores calculan que un reloj multitransición basado en H2+  y HD+ conseguiría 60 veces y tres veces, respectivamente, la mejora en la precisión comparado con un reloj de una sola transición, como el de cesio. Estamos hablando de incertidumbres de 5·10−18 y 2·10−17.

Pero no todo iba a ser bueno. El incremento en precisión tiene un coste derivado de la mayor complejidad que supone tratar con múltiples fuentes espectroscópicas necesarias para que el reloj funcione. Eso sí, lo experimentos preliminares en los laboratorios de los investigadores indicarían que es tecnológicamente posible. ¿Os imagináis que en un futuro próximo descubriésemos que las constantes fundamentales no son constantes?

Referencia: Schiller S., D. Bakalov & V. I. Korobov (2014). Simplest Molecules as Candidates for Precise Optical Clocks, Physical Review Letters, 113 (2) DOI: 10.1103/physrevlett.113.023004 

* Este artículo es parte de ‘Proxima’, una colaboración semanal de la Cátedra de Cultura Científica de la UPV con Next. Para saber más, no dejes de visitar el Cuaderno de Cultura Científica.


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