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Buenos Aires » Infobae
Fecha: 26/07/2025 04:35
Un cristal de fluorita que contiene átomos del elemento radiactivo torio-229. Se utilizó para medir con precisión el espectro de absorción de los núcleos atómicos en el Instituto Nacional de Metrología de Alemania (PTB). Anteriormente, los investigadores debían capturar un pequeño número de núcleos atómicos en cada experimento y analizarlos con una frecuencia de radiación a la vez, lo que dificultaba enormemente la realización de mediciones precisas. En el experimento del PTB, los investigadores utilizaron un cristal con aproximadamente mil billones de átomos incrustados, lo que permitió realizar múltiples mediciones simultáneamente mediante rayos láser de alta precisión (Crédito: PTB) * Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel. Durante casi un siglo, científicos de todo el mundo han buscado la materia oscura, una sustancia invisible que se cree que constituye alrededor del 80 % de la masa del universo y es necesaria para explicar diversos fenómenos físicos. Se han empleado numerosos métodos para detectarla, desde intentar producirla en aceleradores de partículas hasta buscar la radiación cósmica que podría emitir en el espacio. Sin embargo, incluso hoy en día, se sabe muy poco sobre las propiedades fundamentales de esta materia. Aunque opera en segundo plano, se cree que la materia oscura influye en la materia visible, pero de maneras tan sutiles que actualmente no se pueden medir directamente. Los científicos creen que si se desarrolla un reloj nuclear —uno que utilice el núcleo atómico para medir el tiempo con extrema precisión—, incluso las más mínimas irregularidades en su tictac podrían revelar la influencia de la materia oscura. El año pasado, físicos de Alemania y Colorado lograron un gran avance en la construcción de dicho reloj, utilizando el elemento radiactivo torio-229. Cuando los investigadores del grupo de física teórica del profesor Gilad Pérez en el Instituto de Ciencias Weizmann se enteraron de este logro, reconocieron una nueva oportunidad para avanzar en la búsqueda de la materia oscura, incluso antes de que un reloj nuclear completamente funcional se convierta en realidad. En colaboración con el equipo alemán, publicaron recientemente un estudio en Physical Review X que propone un nuevo método para detectar la influencia de la materia oscura en las propiedades del núcleo de torio-229. Científicos avanzan en el desarrollo de un reloj nuclear basado en torio-229 para estudiar la materia oscura (NASA, ESA, CSA, STSCI, CXC) Así como empujar a un niño en un columpio requiere la sincronización adecuada para mantener un movimiento suave y constante, un núcleo atómico también tiene una frecuencia de oscilación óptima, conocida en física como frecuencia de resonancia. La radiación a precisamente esta frecuencia puede hacer que el núcleo oscile como un péndulo entre dos estados cuánticos: un estado fundamental y un estado de alta energía. En la mayoría de los materiales, esta frecuencia de resonancia es alta, lo que requiere una radiación intensa para excitar el núcleo. Pero en 1976, los científicos descubrieron que el torio-229, un subproducto del programa nuclear estadounidense, era una rara excepción. Su frecuencia de resonancia natural es lo suficientemente baja como para ser manipulada por tecnología láser estándar utilizando la radiación ultravioleta relativamente débil. Esto convirtió al torio-229 en un candidato prometedor para el desarrollo de un reloj nuclear, en el que el tiempo se mide por la oscilación del núcleo entre estados cuánticos como un péndulo en un reloj tradicional. Sin embargo, el progreso del reloj nuclear se estancó en la primera etapa, cuando los científicos intentaron medir la frecuencia de resonancia del torio-229 con la máxima precisión. Para determinar la frecuencia de resonancia de un núcleo, los físicos lo iluminan con un láser a diferentes frecuencias y observan cuánta energía absorbe o emite al transitar entre estados cuánticos. A partir de estos resultados, construyen un espectro de absorción, y la frecuencia que causa la absorción máxima se considera la frecuencia de resonancia del núcleo. Durante casi cinco décadas, los científicos no pudieron medir la frecuencia de resonancia del torio-229 con la precisión suficiente para construir un reloj nuclear, pero el año pasado se produjeron dos avances importantes. Primero, un grupo del Instituto Nacional de Metrología de Alemania (PTB) publicó mediciones relativamente precisas. Unos meses después, un equipo de la Universidad de Colorado publicó resultados varios millones de veces más precisos. El reloj nuclear permitiría identificar fuerzas 10 billones de veces más débiles que la gravedad, clave para la materia oscura “Aún necesitamos mayor precisión para desarrollar un reloj nuclear”, afirma Pérez, “pero ya hemos identificado una oportunidad para estudiar la materia oscura”. Explica: “En un universo compuesto únicamente de materia visible, las condiciones físicas y el espectro de absorción de cualquier material permanecerían constantes. Pero, dado que la materia oscura nos rodea, su naturaleza ondulatoria puede alterar sutilmente la masa de los núcleos atómicos y causar cambios temporales en su espectro de absorción. Planteamos la hipótesis de que la capacidad de detectar pequeñas desviaciones en el espectro de absorción del torio-229 con gran precisión podría revelar la influencia de la materia oscura y ayudarnos a estudiar sus propiedades”. Los cálculos teóricos realizados por el equipo, dirigido por el Dr. Wolfram Ratzinger, del grupo de Pérez, y otros investigadores postdoctorales, demostraron que las nuevas mediciones podrían detectar la influencia de la materia oscura incluso si fuera 100 millones de veces más débil que la gravedad, una fuerza que, en sí misma, es débil y que rara vez nos viene a la mente en la vida diaria. “Esta es una región donde nadie ha buscado aún materia oscura”, afirma Ratzinger. Nuestros cálculos demuestran que no basta con buscar únicamente cambios en la frecuencia de resonancia. Necesitamos identificar cambios en todo el espectro de absorción para detectar el efecto de la materia oscura. Aunque aún no hemos detectado estos cambios, hemos sentado las bases para comprenderlos cuando aparezcan. Una vez que detectemos una desviación, podremos usar su intensidad y la frecuencia con la que aparece para calcular la masa de la partícula de materia oscura responsable. Más adelante, en el estudio, también calculamos cómo diferentes modelos de materia oscura afectarían el espectro de absorción del torio-229. Esperamos que esto ayude a determinar qué modelos son precisos y de qué está compuesta realmente la materia oscura. (de izq. a der.) Pérez, Kirk, Ratzinger y Paranjape. Experimentales en ciencia cuántica colaboran con físicos nucleares y teóricos de la física de partículas., materia oscura (Instituto Weizmann) Mientras tanto, laboratorios de todo el mundo siguen perfeccionando la medición de la frecuencia de resonancia del torio-229, un proceso que se prevé que dure años. Si finalmente se desarrolla un reloj nuclear, podría revolucionar muchos campos, como la navegación terrestre y espacial, las comunicaciones, la gestión de la red eléctrica y la investigación científica. Los dispositivos de cronometraje más precisos de la actualidad son los relojes atómicos, que se basan en la oscilación de los electrones entre dos estados cuánticos. Estos son muy precisos, pero presentan una desventaja importante: son vulnerables a las interferencias eléctricas del entorno, lo que puede afectar su consistencia. Los núcleos atómicos, en cambio, son mucho menos sensibles a estas perturbaciones. Según un modelo líder de materia oscura, la misteriosa sustancia está formada por innumerables partículas, cada una de las cuales tiene una masa al menos 1.000.000 de veces menor que la de un solo electrón. “En lo que respecta a la materia oscura”, afirma Pérez, “un reloj nuclear basado en torio-229 sería el detector definitivo. Actualmente, la interferencia eléctrica limita nuestra capacidad para usar relojes atómicos en la búsqueda. Pero un reloj nuclear nos permitiría detectar desviaciones increíblemente leves en su tictac —es decir, diminutos cambios en la frecuencia de resonancia— que podrían revelar la influencia de la materia oscura. Estimamos que nos permitirá detectar fuerzas 10 billones de veces más débiles que la gravedad, con una resolución 100.000 veces superior a la que tenemos actualmente en nuestra búsqueda de materia oscura”. El desarrollo del reloj nuclear podría transformar la navegación, las comunicaciones y la investigación científica (NASA/JPL-CALTECH/SAO/NOAO) El Consejo Europeo de Investigación (CEI) otorgó recientemente una Beca Avanzada del CEI al grupo del Prof. Pérez para apoyar el desarrollo continuo de esta línea de investigación. También participaron en el estudio la Prof. Elina Fuchs y la Dra. Fiona Kirk, del Instituto Nacional de Metrología de Alemania (PTB) en Braunschweig (Alemania), y la Universidad Leibniz de Hannover (Alemania); el Dr. Eric Madge y Chaitanya Paranjape, del grupo de Pérez en el Departamento de Física de Partículas y Astrofísica de Weizmann; y el Prof. Ekkehard Peik y el Dr. Johannes Tiedau, del Instituto Nacional de Metrología de Alemania (PTB) en Braunschweig (Alemania).
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