Captando los movimientos más íntimos de los átomos

Por vez primera, se ha conseguido ver en detalle átomos individuales manteniéndose separados de otros o reuniéndose en parejas. Las observaciones atómicas con este grado de sensibilidad podrían, entre otras cosas, ayudar a abrir un camino hacia la obtención de superconductores capaces de funcionar como tales a temperatura ambiente.

Si encerramos un gas en un recipiente e intentamos visualizar sus átomos usando los microscopios más potentes de la actualidad, veremos poco más que una mancha oscura. A temperatura ambiente, los átomos se desplazan a velocidades enormes y son difíciles de localizar.

Sin embargo, si estos átomos son enfriados hasta temperaturas ultrabajas, su velocidad disminuye mucho, y entonces hay oportunidades para estudiar cómo pueden formar estados exóticos de la materia, como los superfluidos, los superconductores y los imanes cuánticos.

El equipo de Martin Zwierlein, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, ha enfriado ahora un gas de átomos de potasio hasta varios nanokelvins (a una fracción ínfima de grado por encima del Cero Absoluto, la temperatura más baja que permiten las leyes de la física) y los han atrapado dentro de una lámina esencialmente bidimensional (por su mínimo grosor) de una retícula óptica creada por láseres que se entrecruzan. Usando un microscopio de alta resolución, los investigadores tomaron imágenes de los átomos enfriados que residían en la retícula.

Recreación artística del momento en que, por primera vez, los autores de la nueva investigación, vieron átomos individuales alejándose entre sí o reuniéndose en parejas. (Ilustración: Sampson Wilcox)

Examinando las correlaciones entre las posiciones de los átomos en cientos de tales imágenes, el equipo observó átomos individuales interactuando de maneras bastante peculiares, a juzgar por su posición en la retícula. Algunos átomos exhibieron un comportamiento “antisocial” y se mantuvieron alejados de los demás, mientras que algunos se agruparon con orientaciones magnéticas alternas. Otros parecieron adherirse a otros, creando parejas de átomos junto a espacios vacíos, o agujeros.

El equipo de investigación cree que estas correlaciones espaciales podrían aportar datos nuevos y esclarecedores sobre los orígenes del comportamiento superconductor. Los superconductores son materiales notables en los que los electrones se emparejan y viajan sin fricción, lo que significa que no se pierde energía en el recorrido. Si se lograse crear a un costo razonable superconductores que se comportasen como tales a temperatura ambiente, ello podría marcar el inicio de una nueva era en la historia del uso humano de la energía, al permitir a la humanidad disponer de electricidad cuya distribución disfrutaría de una eficiencia del 100 por cien, sin pérdida alguna.

Confirman el aparente hallazgo de una quinta fuerza de la naturaleza

Unos descubrimientos recientes que indican el posible descubrimiento de una partícula subatómica previamente desconocida podrían ser la prueba de que existe una quinta fuerza fundamental de la naturaleza, según una nueva investigación.

Después de tanto tiempo asumiendo que son cuatro las fuerzas fundamentales (gravitación, electromagnetismo, y las fuerzas nucleares fuerte y débil), ahora parece que se ha descubierto una quinta. Si experimentos adicionales confirman su existencia, este descubrimiento cambiaría completamente nuestra comprensión del universo, con consecuencias para las teorías de unificación de las fuerzas y para las teorías sobre la identidad de la materia oscura, tal como subraya Jonathan Feng, coautor de la citada investigación y profesor de física y astronomía en la Universidad de California en Irvine, Estados Unidos.

Feng y sus colegas encontraron la pista inicial en un estudio de mediados de 2015, realizado por físicos nucleares experimentales de la Academia Húngara de Ciencias, que estaban buscando “fotones oscuros”, partículas que representarían a la invisible materia oscura, la cual constituye el 85 por ciento de la masa del universo. El trabajo de esos investigadores húngaros puso de manifiesto una anomalía en la desintegración radiactiva que apunta a la existencia de una partícula ligera, que solo sería unas 30 veces más pesada que un electrón.

Esos científicos no pudieron determinar que se tratase de una nueva fuerza. Simplemente vieron un exceso de eventos de partículas que indicaban la acción de una nueva, pero no estaba claro para ellos si era una partícula de materia o una partícula portadora de fuerza.

Si experimentos adicionales lo confirman, este descubrimiento de una posible quinta fuerza cambiaría completamente nuestra comprensión del universo, en palabras del profesor Jonathan Feng, incluyendo aquello que mantiene compactas a las galaxias.

Feng y sus colegas estudiaron los datos de los investigadores húngaros así como todos los experimentos anteriores en este campo y han llegado a la conclusión de que las evidencias no respaldan la teoría de las partículas de materia ni la de los fotones oscuros. En cambio sí encajan con una nueva teoría que han propuesto y que sintetiza todos los datos disponibles. A la luz de esto, el descubrimiento podría indicar la existencia de una quinta fuerza fundamental.

El trabajo del equipo de Feng indica que en vez de ser un fotón oscuro, la partícula podría ser un “bosón X protofóbico”. La fuerza eléctrica normal actúa sobre electrones y protones, mientras que este bosón recién descubierto interactuaría solo con electrones y neutrones, y en un rango extremadamente limitado.

No existe ningún otro bosón observado que tenga esta misma característica.