En la novela de Lewis Carroll, Através del espejo, Alice encuentra un portal parecido a un espejo a un mundo donde las reglas de la realidad están invertidas. En la década de 1980, la historia inspiró el nombre de un vórtice en forma de anillo, que se predice que surgirá a medida que los monopolos se desintegren. Este “anillo de Alicia” luego invierte las cargas de cualquier otro monopolo que pase a través de él.
Ahora, por primera vez, investigadores de Estados Unidos y Finlandia han observado estos anillos de Alicia en el laboratorio. Su experimento involucra átomos ultrafríos y podría arrojar luz sobre procesos fundamentales en la física de partículas y la cosmología.
El descubrimiento del equipo se basa en dos líneas de investigación que surgieron hace unos 35 años. Uno es el concepto de “cuerdas cósmicas”, que describe defectos unidimensionales en la estructura del espacio-tiempo. Aunque hipotética, la existencia de tales cuerdas tendría profundas implicaciones para la cosmología.
“La idea de una cuerda cósmica es que, si viajaras a su alrededor, pasaría de materia a antimateria (o viceversa)”, explica David Hall en Amherst College, quien dirigió la parte experimental del proyecto con Alina Blínova como parte final de su tesis doctoral. "Si existiera, tal cuerda cósmica se conocería como 'cuerda de Alicia'".
Puntos de carga singulares
La segunda línea de investigación involucra los monopolos, que son puntos singulares de carga en el espacio. Tanto los monopolos como las cuerdas podrían transportar cargas topológicas conservadas, que podrían ser cargas magnéticas, eléctricas o de color de quarks.
"En la década de 1980, nos dimos cuenta de que un monopolo de este tipo podía deformarse de una manera curiosa", explica Hall. "Lejos de su centro todavía parece un monopolo, pero si te acercaras no verías la singularidad del punto sino más bien un anillo de Alice, que es un bucle de cuerda de Alice que está cerrado sobre sí mismo".
Una propiedad particularmente sorprendente de un anillo de Alice es que si otro monopolo de alguna manera lograra pasar por su centro, el monopolo se transformaría de una partícula a una antipartícula. Esto significa que al mirar a través del anillo, al igual que Alicia y su espejo, esencialmente estamos viendo un universo reflejado donde la antimateria domina sobre la materia.
En 2015, se produjo un gran avance cuando un equipo de colaboradores de Hall creó un monopolo en un condensado de Bose-Einstein. Se trataba de un gas de átomos de rubidio enfriado cerca del cero absoluto, donde se pueden observar propiedades cuánticas a escala macroscópica.
Control de precisión
"Nuestra técnica se basó en el control preciso de los campos magnéticos para crear el monopolo inicial", explica Hall.
En su último estudio, el equipo de Hall y Blinova combinó este enfoque experimental con métodos de simulación desarrollados por Mikko Mottönen en la Universidad de Aalto y colegas. Estas técnicas combinadas permitieron a los investigadores observar lo que sucede cuando se deja que los monopolos evolucionen en un condensado de Bose-Einstein.
"El aspecto más nuevo de nuestra investigación es la capacidad de crear monopolos de forma suficientemente consistente para que podamos observar su evolución en el tiempo", explica Hall. "Necesitamos poder producir un estado inicial consistente y luego esperar diferentes intervalos de tiempo antes de realizar una medición para ver cómo evoluciona el sistema".
Dado que los monopolos son inherentemente de vida corta, incluso la más mínima perturbación los sacará de su estado estable, provocando que se descompongan en anillos de Alice. A través de su enfoque, Hall y sus colegas pudieron observar cómo se desarrollaba este proceso. "Específicamente, pudimos observar directamente varias características del anillo de Alice a medida que evoluciona el monopolo inicial", dice. "Una es que la singularidad del punto monopolar desaparece, mientras que al mismo tiempo la región 'lejos' del monopolo conserva su carácter monopolar".
Seguimiento de los anillos de Alice
A través de su análisis, los investigadores descubrieron que esta singularidad es reemplazada por un vórtice con las mismas propiedades cuánticas predichas en las simulaciones de Möttönen. Aunque sus experimentos sólo pudieron rastrear los anillos de Alice directamente durante unos 10 ms, persistieron durante unas 10 veces más en los condensados simulados de Bose-Einstein.
Los hallazgos del equipo podrían tener implicaciones fascinantes para nuestra comprensión de los fluidos cuánticos: sugerir que, en las condiciones adecuadas, las estructuras que convierten la materia en antimateria pueden surgir espontáneamente en respuesta a sus entornos.
Monopolos magnéticos vistos en el laboratorio.
"Me parece profundamente interesante que las teorías de campo que pretenden extraer algún significado del cosmos a menudo puedan examinarse en un contexto tan pequeño como una gota de condensado de un diámetro menor que el ancho de un cabello", dice Hall.
De hecho, Hall confía en que su experimento podría ofrecer una valiosa plataforma para explorar el funcionamiento interno del universo. "Espero que las similitudes temáticas algún día puedan funcionar también en la otra dirección, implicando que lo que encontremos en el laboratorio podría ser relevante para comprender cómo funcionan los procesos fundamentales en el universo".
La investigación se describe en Nature Communications.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/alice-rings-spotted-in-a-bose-einstein-condensate/
