Crean relojes tan precisos que podrían detectar la materia oscura

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Un equipo de investigadores dirigido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos (NIST por sus siglas en inglés) ha desarrollado unos relojes atómicos tan precisos que podrían detectar ondas gravitacionales e incluso la materia oscura

Por si no lo sabías, un reloj atómico es un reloj muy preciso que se basa en la frecuencia de la oscilación entre dos estados de energía de determinados átomos o moléculas. El NIST ha creado dos relojes de estas características, y cada uno atrapa mil átomos de iterbio en celosías ópticas, que son rejillas hechas de rayos láser. Cada átomo tiene una frecuencia vibratoria constante, una característica que permite a los investigadores medir cómo los átomos hacen la transición entre dos niveles de energía, creando la señal del reloj. 

Los dos relojes atómicos experimentales del NIST han logrado tres nuevos récords de rendimiento, demostrando que cuentan con la precisión suficiente no solo para mejorar el cronometraje o la navegación, sino también para la detección de estos fenómenos que afectan a la gravedad.

Precisión demostrada

Al comprar los dos relojes independientes, los físicos del NIST lograron un rendimiento récord en tres medidas importantes que definen su enorme precisión: incertidumbre sistemática, estabilidad y reproducibilidad.

“La incertidumbre sistemática, la estabilidad y la reproducibilidad pueden considerarse como la escalera real del rendimiento de estos relojes”, afirma Andrew Ludlow, líder de la investigación. “El acuerdo de los dos relojes en este nivel sin precedentes, que llamamos reproducibilidad, es quizás el resultado más importante, porque esencialmente requiere y justifica los otros dos resultados”.

Pero, ¿qué son exactamente estas medidas? La primera de ellas, la incertidumbre sistemática, hace referencia a la exactitud con la que el reloj representa las vibraciones naturales o la frecuencia de los átomos. En el experimento, los dos relojes marcaban una velocidad que coincidía con la frecuencia natural dentro de un posible error de solo 1,4 partes en 10 elevado a 18, aproximadamente una milmillonésima parte de una milmillonésima parte.

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En segundo lugar, la estabilidad indica cuánto cambia la frecuencia del reloj en un intervalo de tiempo específico, medido a un nivel de 3,2 partes en 10 elevado a 19 (o 0,00000000000000000032) en un día.

Por último, la reproducibilidad hace referencia a la precisión con la que los dos relojes marcan la misma frecuencia. Tras compararlos en diez ocasiones, la diferencia en la frecuencia queda por debajo del nivel de 10 elevado a -18, o lo que es lo mismo, menos de una milmillonésima parte de una milmillonésima parte.

La precisión de los relojes y la gravedad

Muy bien pero, ¿qué tiene que ver la precisión de los relojes con la gravedad? De acuerdo con la Teoría de la Relatividad de Einstein, la frecuencia de las vibraciones de los átomos, o lo que es lo mismo, el tictac de un reloj atómico, se reduce cuanto más fuerte es la gravedad. 

Teniendo esto en cuenta, unos relojes atómicos súper precisos como los que ha desarrollado el equipo del NIST son capaces de mapear la distorsión gravitatoria del espacio-tiempo como nunca antes habíamos imaginado, por lo que podrían detectar ondas gravitacionales y quizás incluso la materia oscura. 

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Además, este avance también supone un punto de inflexión para las mediciones de la forma de la Tierra y su orientación en el espacio.

El siguiente paso del NIST consiste en construir un reloj atómico de iterbio portátil que podría ser transportado a otros laboratorios de todo el mundo.