El movimiento de los cuerpos en caída libre es independiente de su composición. Éste es uno de los fundamentos del Principio de Equivalencia de Einstein (EEP), que sustenta nuestra comprensión moderna de la gravedad. Este principio, sin embargo, está bajo constante examen. Cualquier violación del mismo nos daría pistas en nuestra búsqueda de energía y materia oscuras, al mismo tiempo que guiaría nuestra comprensión de los agujeros negros y otros sistemas donde se encuentran la gravedad y la mecánica cuántica.

Científicos de Estados Unidos, Francia y Alemania han creado un nuevo sistema para probar el EEP: una mezcla de dos gases cuánticos ultrafríos que orbita la Tierra a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS). También demostraron el primer interferómetro atómico de doble especie en el espacio, lo que describen como un "paso importante" hacia la prueba del EEP. La pregunta que pretenden responder con este experimento es sencilla: ¿dos átomos de diferente masa caen al mismo ritmo?

Átomos fríos en la ISS

La ISS es el hogar de la Laboratorio de átomo frío (CAL), que es un “patio de juegos” para los átomos en el espacio. Lanzado en 2018, en 2020 creó el primer condensado de Bose-Einstein (BEC) espacial: un estado especial de la materia que se logra después de enfriar átomos a temperaturas justo por encima del cero absoluto. Este primer gas cuántico estaba formado por átomos de rubidio ultrafríos, pero tras una actualización en 2021, el CAL también alberga una fuente de microondas para producir gases cuánticos a partir de átomos de potasio.

En el último trabajo, que se describe en Naturaleza, los científicos de CAL generaron una mezcla cuántica de ambas especies en la ISS. "Generar esta mezcla cuántica en el espacio es un paso importante hacia el desarrollo de mediciones de alta precisión para probar el principio de equivalencia de Einstein", dice gabriel muller, estudiante de doctorado de la Universidad Leibniz de Hannover, Alemania, que participa en el experimento.

Para lograr esta mezcla, el equipo confinó átomos de rubidio en una trampa magnética y permitió que los átomos "calientes" más energéticos se evaporaran fuera de la trampa, dejando atrás los átomos "fríos". Esto eventualmente conduce a una transición de fase hacia un gas cuántico una vez que los átomos caen por debajo de cierta temperatura crítica.

Si bien este proceso también funciona para los átomos de potasio, evaporar ambas especies simultáneamente en la misma trampa no es sencillo. Como la estructura energética interna de los átomos de rubidio y potasio es diferente, sus temperaturas iniciales en la trampa varían, al igual que las condiciones óptimas de la trampa y el tiempo de evaporación necesario para alcanzar la temperatura crítica. Como resultado, los científicos tuvieron que buscar una solución diferente. "El gas cuántico de potasio no se genera mediante enfriamiento por evaporación, sino que se enfría 'simpáticamente' mediante contacto térmico directo con el gas de rubidio ultrafrío evaporado", explica Müller.

Generar este gas cuántico en el espacio tiene sus ventajas, añade. “En la Tierra hay una caída gravitacional, lo que significa que dos átomos de diferentes masas no estarán en la misma posición en la trampa. En el espacio, por el contrario, la interacción gravitacional es débil y las dos especies se superponen”. Este aspecto del trabajo en microgravedad es esencial para realizar experimentos destinados a observar las interacciones entre las dos especies que de otro modo serían secuestradas por los efectos de la gravedad en la Tierra.

El papel crucial de la ingeniería cuántica del estado

La producción de una mezcla cuántica de átomos de rubidio y potasio acerca al equipo de CAL a probar el EEP, pero aún es necesario dominar otros elementos del experimento. Por ejemplo, aunque las dos especies se superponen en la trampa, cuando son liberadas de ella, sus posiciones iniciales son ligeramente diferentes. Müller explica que esto se debe en parte a que las propiedades de cada especie de átomo conducen a una dinámica diferente, pero también a que la liberación de la trampa no es instantánea, lo que significa que una de las especies experimenta una fuerza magnética residual en relación con la otra. Estos efectos sistemáticos podrían fácilmente presentarse como una violación del PEA si no se abordan adecuadamente.

Por este motivo, los científicos han centrado su atención en caracterizar la sistemática de su trampa y reducir el ruido no deseado. "Se trata de un trabajo que se está realizando activamente en Hannover para crear estados de entrada bien diseñados de ambas especies, lo que será crucial, ya que se necesitan condiciones iniciales similares antes de poner en marcha el interferómetro", afirma Müller. Una solución al problema de la posición inicial, añade, sería transportar lentamente ambas especies a una única posición antes de apagar la trampa magnética. Si bien esto se puede hacer con gran precisión, conlleva el costo de calentar los átomos y perder algunos de ellos. Por ello, los científicos esperan utilizar el aprendizaje automático para optimizar el mecanismo de transporte y así lograr un control similar de la dinámica atómica, pero mucho más rápido.

Interferómetro atómico de doble especie en el espacio

Una vez que se resuelvan estos problemas, el siguiente paso sería realizar una prueba de EEP utilizando interferometría de átomos de doble especie. Se trata de utilizar pulsos de luz para crear una superposición coherente de las dos nubes de átomos ultrafríos, luego recombinarlas y dejar que interfieran después de un cierto tiempo de evolución libre. El patrón de interferencia contiene información valiosa sobre la aceleración de la mezcla, de la que los científicos pueden extraer si ambas especies experimentaron la misma aceleración gravitacional.

Un factor limitante en esta técnica es qué tan bien se superponen las posiciones del rayo láser y la muestra atómica. "Esta es la parte más complicada", subraya Müller. Un problema es que las vibraciones en la ISS hacen que el sistema láser vibre, introduciendo ruido de fase en el sistema. Otro problema es que la diferente estructura de niveles de masa y energía atómica de ambas especies les lleva a responder de manera diferente al ruido vibratorio, produciendo un desfase entre los dos interferómetros atómicos.

En el último trabajo, los científicos demostraron la interferometría atómica simultánea de la mezcla y midieron una fase relativa entre el patrón de interferencia de los átomos de rubidio y potasio. Sin embargo, son muy conscientes de que esta fase probablemente se deba a las fuentes de ruido que están abordando, más que a una violación del PPE.

Misiones futuras

Se lanzó un nuevo módulo científico a la ISS con el objetivo de aumentar el número de átomos, mejorar las fuentes láser e implementar nuevos algoritmos en la secuencia experimental. Sin embargo, fundamentalmente los científicos de CAL se esfuerzan por demostrar una medición de precisión inercial más allá del estado actual de la técnica. "Estos descubrimientos son hitos importantes para futuras misiones satelitales que prueben la universalidad de la caída libre a niveles sin precedentes", dice el científico de Hannover. Naceur Gaaloul, coautor del artículo reciente.

Un ejemplo que menciona Gaaloul es la propuesta STE-QUEST (Explorador del espacio-tiempo y prueba espacial del principio de equivalencia cuántica), que sería sensible a diferencias en aceleración de tan sólo 10^-17 Sra². Esta precisión equivale a dejar caer una manzana y una naranja y medir, al cabo de un segundo, la diferencia de sus posiciones dentro del radio de un protón. Es sabido que el espacio es difícil, pero la interferometría atómica en el espacio lo es aún más.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/