Nube de átomos con masa negativa harán más preciso a LIGO

Experimento según una ilustración artística.
Bastian Leonhardt Strube and Mads Vadsholt

Un equipo de físicos de Rusia, Dinamarca, Grecia y Alemania, quienes trabajan bajo la dirección de Eugene S. Polzik, ha encontrado la manera de duplicar la sensibilidad de los observatorios gravitacionales como LIGO y Virgo. El método propuesto consiste en deshacerse de un tipo particular de ruido que surge de la naturaleza cuántica de la luz. Así, en la primera serie de experimentos, se logró reducir el ruido del feedback cuántico a la tercera parte. La investigación está publicada en Nature, publicación que compartió un artículo sobre la misma. 

Los observatorios gravitatorios presentan interferómetros gigantes en forma de L, cuya longitud alcanza los 4 km. Gracias a ellos, los científicos pueden registrar las ondas gravitatorias —débiles “ondulaciones” del espacio que surgen, por ejemplo, cuando se unen dos agujeros negros—. De acuerdo a La Gran Teoría de la Relatividad, las fuentes de las ondas gravitacionales pueden ser aquellos cuerpos masivos que se mueven en una aceleración no-centrosimétrica, como por ejemplo, un par de cuerpos que convergen en forma espiral. Las ondas representan una fluctuación métrica de distancias en el espacio. En el caso de los cuerpos de poco tamaño, estos presentan ondas extremadamente pequeñas; pero incluso para los agujeros negros —cuya masa es diez veces la masa del Sol y se unen a una distancia de alrededor de millones de kilómetros de la Tierra— ellos no sobrepasan una proporción de cien millones de millones de partes (10-20).

Para ver estas débiles variaciones de la fluctuación se necesita realizar un experimento extremadamente preciso. Por ejemplo, el interferómetro de LIGO está en la condición de detectar fluctuaciones de una longitud significativamente menor al radio de un protón. Sin embargo, esta alta precisión tiene un costo: el surgimiento de fuentes poco usuales de error vinculados a la naturaleza cuántica de la luz. 

En LIGO, la luz pasa dos veces por un sistema de 4 km de largo en forma de L, al final del cual se encuentra un espejo. La medición que realiza tiene el objetivo de medir qué tanto cambia el largo con el paso de las ondas gravitatorias. Pero la alta sensibilidad del sistema detecta un error que surge en la vibración del espejo por acción de la presión de la luz. Además, el error está vinculado a que es imposible determinar el número de fotones que golpea el espejo en un momento determinado. 

La idea del proyecto de Eugene S. Polzik y su equipo consiste en lo siguiente. El problema de la medición precisa del sistema está directamente relacionado con la medición de la trayectoria de la luz en él. Pero en la mecánica cuántica, la trayectoria de la partícula cuántica no puede expresarse en líneas comunes, ya que esta representa una nube de probabilidades de detección en una región del espacio. Como señala el Polzik, esta trayectoria es más parecida al clásico postulado del punto de referencia. 

La trayectoria de las partículas relativas al sistema cuántico. De izquierda a derecha: estado coherente, estado comprimido, estado con masa positiva, y estado con una masa que se comporta de manera negativa. 
Eugene S. Polzik and Klemens Hammerer / arXiv.org, 2014

Los físicos señalan que en el sistema clásico, también se pueden escoger otros objetos, incluidos aquellos de naturaleza cuántica. Además, de que esto se puede hacer en una estricta correlación con la partícula cuántica, cuya trayectoria se intenta medir. Entonces, la falta de certeza para determinar las coordenadas se anula y la relativa trayectoria de la partícula cuántica pasa a ser una curva clásica. 

En el contexto de LIGO es indispensable asociar los mecanismos de vibración del espejo con algunos sistemas. Así, para que la imprecisión de la radiación de luz tenga una interdependencia que precise su punto de referencia, es necesario que la presión de la luz en el espejo y en el sistema de referencia sean dirigidos en una misma dirección. Esto significa que el sistema de referencia debe comportarse como si tuviera una masa negativa (aunque esta debe tener una masa real positiva). Ese tipo de objetos son conocidos en la física, por ejemplo, en la excitación del sistema de átomos. En contraste con el espejo, estos pueden “atraerse” hacia la fuente de luz, y no repelerse de la misma.

Parte “atómica” de los instrumentos del experimento. 
Ola J. Joensen

En el experimento, la luz del láser primero pasa por un grupo de átomos, y luego se refleja en las membranas micromecánicas. La variación de las membranas está vinculada con los estados de los fotones del rayo láser y, a través de ellos, con la vibración de los átomos. Luego de ello, los físicos midieron los resultados de la interferencia de los haces de luz reflejados a través de las nubes de átomos. Se descubrió que el nivel de ruido disminuyó en 34%. 

Como señala el director del estudio, para implementar el sistema en LIGO se necesita colocar un grupo de átomos en la ruta del rayo láser. Una de las mayores dificultades en la etapa actual es que el experimento está presentado para para un láser con longitud de onda de 852 nm, pero en LIGO se usa un láser con una longitud de onda de 1064 nanómetros. 

El experimento LIGO consiste en dos detectores ubicados a una distancia mayor a los 3 mil km uno del otro, entre los estados de Luisiana y Washington, en los EE.UU. Cada uno de ellos presenta un interferómetro de Michelson en forma de L. En febrero de 2016, LIGO y Virgo anunciaron el primer evento exitoso de registro de ondas gravitatorias, las vibraciones en la geometría del espacio-tiempo. 

El 14 de septiembre de 2015, se detectó el paso de unas ondas creadas por la unión de dos agujeros negros de masas de 29 y 35 veces la del Sol a través de la Tierra. Un segundo evento similar fue registrado el 26 de diciembre de 2015, con una significancia estadística mayor a cinco sigmas. El tercer evento fue descubierto el 4 de enero de 2017. 

Vladimir Koroliev

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