Científicos trabajan en el Polo Sur para demostrar que la gravedad cuántica efectivamente existe
Es una de las grandes preguntas a resolver para la ciencia, la unificación de la relatividad con la mecánica cuántica. Ahora analizan neutrinos atmosféricos para encontrar pruebas de su existencia, más allá de la teoría.
Una de las grandes preguntas de la ciencia es saber si existe la gravedad cuántica que intenta unificar aspectos de la mecánica cuántica con la relatividad. Para ello, varios miles de sensores distribuidos en un kilómetro cuadrado cerca del Polo Sur se encargan de ayudar respuesta a esa pregunta. Tal como indica Phys.org, los sensores controlan los neutrinos, que son partículas sin carga eléctrica y casi sin masa, que llegan a la Tierra desde el espacio.
Un equipo del Instituto Niels Bohr de la Universidad (NBI) de Copenhague ha contribuido a desarrollar el método que utiliza los datos de los neutrinos para revelar si existe la gravedad cuántica. Tom Stuttard, Profesor Adjunto del NBI señala que "si, como creemos, la gravedad cuántica existe realmente, esto contribuirá a unir los dos mundos actuales de la física. Hoy en día, la física clásica describe los fenómenos de nuestro entorno normal, como la gravedad, mientras que el mundo atómico sólo puede describirse mediante la mecánica cuántica.
Es por ello que la unificación de la teoría cuántica y la gravitación sigue siendo uno de los retos más pendientes de la física fundamental, y de allí la relevancia científica de este proyecto. Detalles de este trabajo fueron publicados en Nature Physics el pasado 26 de marzo.
Allí, en un texto que parece sacado de la ciencia ficción, se explica entre muchas cosas que “las oscilaciones de neutrinos a las energías más altas y las líneas de base más largas pueden utilizarse para estudiar la estructura del espacio-tiempo y poner a prueba los principios fundamentales de la mecánica cuántica”.
El análisis de neutrinos atmosféricos
El trabajo realizado por científicos del NBI y colegas de Estados Unidos presenta los resultados de un amplio estudio hecho sobre más de 300.000 neutrinos. Sin embargo, no se trata de neutrinos del tipo más interesante procedentes de fuentes del espacio profundo. Los neutrinos de este estudio se crearon en la atmósfera terrestre, al chocar partículas de alta energía procedentes del espacio con nitrógeno u otras moléculas. Por ello se habla de neutrinos atmosférico.
IceCube paper published in @NaturePhysics!
— IceCube Neutrino Observatory (@uw_icecube) March 26, 2024
We tested for neutrino decoherence as a result of small fluctuations in spacetime caused by quantum gravity. We set the world's strongest constraints on neutrino-quantum gravity interactions.
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"Estudiar los neutrinos procedentes de la atmósfera terrestre tiene la ventaja práctica de que son mucho más comunes que sus hermanos del espacio exterior. Necesitábamos datos de muchos neutrinos para validar nuestra metodología. Ya lo hemos conseguido. Así pues, estamos preparados para entrar en la siguiente fase, en la que estudiaremos los neutrinos procedentes del espacio profundo", afirma Stuttard.
El IceCube Neutrino Observatory está situado junto a la estación Amundsen-Scott del Polo Sur, en la Antártida. A diferencia de la mayoría de las demás instalaciones de astronomía y astrofísica, IceCube funciona mejor para observar el espacio en el lado opuesto de la Tierra, es decir, el hemisferio norte. Esto se debe a que, aunque el neutrino es perfectamente capaz de penetrar en nuestro planeta, e incluso en su núcleo caliente y denso, otras partículas serán detenidas, por lo que la señal es mucho más limpia para los neutrinos procedentes del hemisferio Norte.
La extraña vida de un neutrino
La instalación IceCube está gestionada por la Universidad de Wisconsin-Madison (Estados Unidos). Más de 300 científicos de países de todo el mundo participaron en la colaboración IceCube. La Universidad de Copenhague es una de las más de 50 universidades que cuentan con un centro IceCube para el estudio de los neutrinos.
Algo relevante es que como el neutrino no tiene carga eléctrica y carece prácticamente de masa, no se ve alterado por las fuerzas electromagnética y nuclear fuerte, lo que le permite viajar miles de millones de años luz a través del universo en su estado original.
La cuestión clave es si las propiedades del neutrino permanecen completamente inalteradas en su viaje a grandes distancias o si, por el contrario, se producen pequeños cambios. "Si el neutrino experimenta los sutiles cambios que sospechamos, ésta sería la primera prueba fehaciente de la gravedad cuántica", afirma Stuttard y es la búsqueda de esa sutil prueba sobre la que se trabaja. Sería probar por primera vez que existen indicios claros fuera de la física teórica de que efectivamente la gravedad cuántica es real.
Aunque nos referimos al neutrino como una partícula, lo que se observa es en realidad tres partículas producidas juntas, lo que en mecánica cuántica se conoce como superposición. El neutrino puede tener tres configuraciones fundamentales: electrón, muón y tau. Estas configuraciones se observa que cambian a medida que el neutrino viaja, un fenómeno realmente extraño conocido como oscilaciones del neutrino.
Este comportamiento cuántico se mantiene a lo largo de miles de kilómetros o más, lo que se conoce como coherencia cuántica. Los neutrinos son especiales en el sentido de que simplemente no se ven afectados por la materia que los rodea, por lo que los cambios serían causados por la gravedad cuántica.