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Los átomos gigantes podrían ayudar a revelar 'materia oscura'

Los átomos gigantes podrían ayudar a revelar 'materia oscura' y otros secretos cósmicos

Por Diego A. Quiñones, Universidad de Leeds | 11 de enero de 2017 a las 07:32


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Los átomos gigantes podrían ayudar a revelar 'materia oscura' y otros secretos cósmicos

Imagen compuesta que muestra el conjunto de galaxias 1E 0657-56.

Crédito: Observatorio de Rayos X de Chandra / NASA

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. La publicación contribuyó el artículo a las voces expertas de Space.com: Op-Ed & Insights.

El universo es un lugar asombrosamente secreto. Las sustancias misteriosas conocidas como materia oscura y energía oscura representan alrededor del 95 por ciento de la misma. A pesar de un enorme esfuerzo para averiguar lo que son, simplemente no lo sabemos.

Sabemos que la materia oscura existe debido a la atracción gravitatoria de los racimos de galaxias - la materia que podemos ver en un racimo no es suficiente para mantenerla unida por gravedad. Por lo tanto, debe haber algún material extra allí, compuesto por partículas desconocidas que simplemente no son visibles para nosotros. Ya se han propuesto varias partículas candidatas.

Los científicos están tratando de averiguar qué son estas partículas desconocidas observando cómo afectan la materia ordinaria que vemos a nuestro alrededor. Pero hasta ahora ha resultado difícil, por lo que sabemos que sólo interactúa débilmente con la materia normal en el mejor de los casos. Ahora mi colega Benjamin Varcoe y yo hemos llegado a una nueva forma de investigar la materia oscura que puede ser exitosa: usando átomos que han sido estirados para ser 4.000 veces más grande de lo habitual.
Átomos ventajosos

Hemos recorrido un largo camino desde la visión griega de los átomos como componentes indivisibles de toda materia. El primer argumento basado en evidencia para la existencia de átomos fue presentado a principios de 1800 por John Dalton. Pero no fue sino hasta el comienzo del siglo XX que JJ Thomson y Ernest Rutherford descubrieron que los átomos consisten en electrones y un núcleo. Poco después, Erwin Schrödinger describió el átomo matemáticamente usando lo que hoy se llama teoría cuántica.

Los experimentos modernos han sido capaces de atrapar y manipular átomos individuales con una precisión excepcional. Este conocimiento se ha utilizado para crear nuevas tecnologías, como láseres y relojes atómicos, y las computadoras futuras pueden utilizar átomos individuales como sus componentes primarios.

Los átomos individuales son difíciles de estudiar y controlar porque son muy sensibles a las perturbaciones externas. Esta sensibilidad suele ser un inconveniente, pero nuestro estudio sugiere que hace que algunos átomos ideal como sondas para la detección de partículas que no interactúan fuertemente con la materia regular - como la materia oscura.

Nuestro modelo se basa en el hecho de que las partículas débilmente interactivas deben rebotar desde el núcleo del átomo con el que colisiona e intercambiar una pequeña cantidad de energía con él, similar a la colisión entre dos bolas de billar. El intercambio de energía producirá un desplazamiento repentino del núcleo que eventualmente será sentido por el electrón. Esto significa que toda la energía del átomo cambia, que puede ser analizada para obtener información sobre las propiedades de la partícula en colisión.

Sin embargo, la cantidad de energía transferida es muy pequeña, por lo que es necesario un tipo especial de átomo para hacer que la interacción sea relevante. Decidimos que el llamado "átomo de Rydberg" haría el truco. Estos son átomos con largas distancias entre el electrón y el núcleo, lo que significa que poseen una energía potencial alta. La energía potencial es una forma de energía almacenada. Por ejemplo, una pelota en un estante alto tiene energía potencial porque podría convertirse en energía cinética si cae del estante.

En el laboratorio, es posible atrapar átomos y prepararlos en un estado de Rydberg - haciéndolos tan grandes como 4.000 veces su tamaño original. Esto se hace iluminando los átomos con un láser con luz a una frecuencia muy específica.

Este átomo preparado es probablemente mucho más pesado que las partículas de materia oscura. Así que en lugar de una bola de billar golpear a otro, una descripción más adecuada será un mármol golpear una pelota de bolos. Parece extraño que los grandes átomos estén más perturbados por las colisiones que los pequeños - uno puede esperar lo contrario (las cosas más pequeñas suelen ser más afectadas cuando ocurre una colisión).

La explicación se relaciona con dos características de los átomos de Rydberg: son altamente inestables debido a su elevada energía, de modo que las perturbaciones menores las perturban más. Además, debido a su gran área, aumenta la probabilidad de que los átomos interactúen con las partículas, por lo que sufrirán más colisiones.

Detectar la más pequeña de las partículas

1 comentario:

  1. Although I do not understand quantum mechanics, the logic of a marble hitting a bowling ball is perfect if there is 95% dark matter and 5% other matter. The proportions seem about right to me.

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