Los científicos se acercan cada vez más al primer reloj nuclear del mundo: nueva herramienta para buscar los misterios del universo

En plena noche, en un laboratorio de Colorado, se hizo un descubrimiento que podría remodelar nuestra comprensión del tiempo y del universo mismo. Había aparecido una señal en la pantalla de una computadora, que marcaba un cambio sutil en el estado energético de un núcleo de torio-229. Y este no fue un cambio cualquiera. Representaba el «tictac» del primer reloj nuclear rudimentario del mundo.

Chuankun Zhang, el estudiante de posgrado que vio el letrero por primera vez, rápidamente compartió la noticia con sus colegas. Durante las siguientes horas, confirmaron sus hallazgos, sabiendo que habían logrado algo extraordinario.

«Pasamos toda la noche haciendo todas las pruebas para comprobar si ésta es realmente la señal que estábamos buscando», dijo Zhang. Naturalezay agregó que «se sintió increíble» ser parte de este descubrimiento.

El avance es la culminación de casi cinco décadas de investigación. Pero para los físicos, es sólo el comienzo de un nuevo viaje, uno que podría allanar el camino no sólo para una nueva generación de relojes ultraprecisos, sino que también podría redefinir nuestra comprensión de las fuerzas fundamentales.

La promesa del reloj nuclear

Físicos de JILA, un instituto conjunto del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder, han demostrado los componentes críticos de lo que podría convertirse en el reloj más preciso que existe: un reloj nuclear. A diferencia de los relojes atómicos, que miden los tics del tiempo mediante los movimientos de los electrones alrededor de un átomo, los relojes nucleares rastrean el movimiento más sutil y rápido de la energía en el núcleo del átomo.

El equipo, dirigido por el físico Jun Ye del NIST y JILA, midió la frecuencia de la luz ultravioleta que induce saltos de energía en los núcleos de los átomos de torio-229 incrustados en un cristal. Esta frecuencia, efectivamente el «tick» del reloj nuclear, estaba sincronizada con uno de los relojes atómicos más precisos del mundo. ¿El resultado? Mediciones 100.000 veces más precisas que intentos anteriores, lo que indica un gran salto hacia la construcción de un reloj nuclear completamente funcional.

¿Por qué un reloj nuclear?

Los relojes atómicos actualmente marcan el estándar internacional en materia de tiempo. Dependen de las vibraciones de los átomos para mantener el tiempo con una precisión asombrosa. En esencia, estos relojes utilizan el átomo de cesio-133, cuyos electrones oscilan entre dos estados de energía a una frecuencia muy constante cuando se exponen a microondas. Esta frecuencia, un «tick» natural, se cuenta para medir el paso del tiempo. Al ajustar láseres y microondas para que coincidan con las oscilaciones inherentes del átomo, los relojes atómicos alcanzan un nivel extraordinario de precisión. De hecho, son tan precisos que sólo pierden un segundo después de decenas de miles de millones de años.

Entonces, si ya podemos medir el tiempo con precisión, ¿por qué se necesitan relojes nucleares? Las partículas de un núcleo, a diferencia de los electrones, son en gran medida inmunes a perturbaciones externas como los campos electromagnéticos. Esta estabilidad puede hacer que los relojes nucleares no sólo sean más precisos sino también más robustos y portátiles que los relojes atómicos existentes.

El avance del reloj nuclear depende del torio-229, un isótopo raro con una característica única: su núcleo puede sufrir una transición de baja energía que puede excitarse con láseres. Esta propiedad se sugirió por primera vez en la década de 1970, cuando los científicos que estudiaban los subproductos de la investigación de armas nucleares notaron un estado de energía inusualmente bajo en los núcleos de torio-229. Décadas más tarde, los investigadores finalmente lograron explotar esta peculiaridad para construir el primer prototipo de reloj nuclear del mundo.

Construir un reloj nuclear no es tarea fácil. Los investigadores incrustaron billones de átomos de torio-229 en un cristal y utilizaron un dispositivo especializado conocido como peine de frecuencia. Este dispositivo emite un espectro de frecuencias láser, lo que permite a los investigadores sondear múltiples estados de energía simultáneamente y encontrar la frecuencia precisa necesaria para excitar el núcleo de torio-229.

Más allá de sus aplicaciones de cronometraje, el reloj nuclear representa una nueva herramienta para explorar la física fundamental. Debido a que la frecuencia del reloj está determinada por las fuerzas que mantienen unido el núcleo, pequeños cambios en estas fuerzas, potencialmente causados ​​por partículas exóticas como la materia oscura, pueden detectarse con una sensibilidad sin precedentes.

La alta sensibilidad del reloj a estas fuerzas podría hacerlo 100 millones de veces más sensible que los relojes atómicos a ciertos tipos de materia oscura, afirman los investigadores en su nuevo estudio. Esto puede ayudar a los físicos a investigar si las constantes de la naturaleza, como la fuerza de la fuerza nuclear o la velocidad de la luz, realmente permanecen constantes a lo largo del tiempo.

Desafíos futuros

A pesar del apasionante potencial, aún queda mucho por hacer antes de que los relojes nucleares puedan superar a los atómicos. El prototipo del equipo JILA, aunque nuevo, aún no ha sido perfeccionado para medir el tiempo de forma continua. También hay un debate en curso sobre la mejor manera de implementar el reloj. ¿Debería el torio-229 permanecer incrustado en un cristal, como está ahora, o atrapar átomos individuales produciría resultados aún mejores?

La tecnología láser utilizada para inducir el cambio de energía también necesita un mayor desarrollo. Sin embargo, la configuración actual sólo sirve como prototipo para un sistema más avanzado que eventualmente podría formar la base de un reloj nuclear práctico. Los premios también lo valen. Un reloj más preciso podría mejorar la tecnología GPS, permitir nuevas pruebas de las leyes de la física y tal vez incluso detectar partículas esquivas de materia oscura.

Los próximos pasos implicarán ajustar la precisión del reloj nuclear y probar sus límites. Los investigadores esperan utilizar esta nueva tecnología para examinar el tejido subyacente del universo más de cerca que nunca. ¿Pueden las constantes fundamentales de la física variar con el tiempo? ¿Hay más fuerzas que unen a los átomos y los núcleos de lo que entendemos actualmente?

Con la llegada del reloj nuclear, los físicos están preparados para abordar estas cuestiones de frente. Y si bien el viaje hacia un reloj nuclear plenamente funcional apenas comienza, el camino por delante promete nuevos conocimientos sobre la naturaleza del tiempo, la materia y el cosmos mismo.

En palabras de Jun Ye: “Imagínese un reloj de pulsera que no pierde ni un segundo incluso si lo deja funcionar durante miles de millones de años. Si bien aún no hemos llegado a ese punto, esta investigación nos acerca a ese nivel de precisión».

Los hallazgos fueron reportados en la revista. Naturaleza.