Relojes nucleares afinan la búsqueda de materia oscura

Todo reloj necesita una referencia estable: un péndulo que oscila, un cristal de cuarzo que vibra o, en los mejores relojes atómicos, la frecuencia exacta de la luz que absorbe un átomo. Dos equipos de Viena y Pekín han construido ahora relojes cuya referencia es el núcleo del torio-229 (Viena, Nature, Pekín, Nature). Son menos estables que los mejores relojes atómicos, pero el dispositivo de Viena ya ha multiplicado entre 100 y 1.000 la sensibilidad de un tipo de búsqueda de materia oscura respecto a experimentos anteriores con relojes atómicos (Nature).

Escuchar un núcleo

Un reloj atómico se parece un poco a un músico que afina su instrumento con una nota de referencia. Se ajusta un láser hasta que su frecuencia coincide con la de la luz que absorben los electrones del átomo, y un sistema de retroalimentación la mantiene fija. Las oscilaciones regulares del láser se convierten así en los pulsos del reloj.

Los núcleos suelen necesitar mucha más energía de la que puede aportar un láser, por lo que no han servido como referencias. El torio-229 es la excepción: su núcleo tiene una transición de unos 8,4 electronvoltios, lo bastante baja para que la alcance la luz ultravioleta (Physical Review Letters).

Los primeros experimentos detectaron esa nota, pero la leían despacio: esperaban unos diez minutos a que los núcleos excitados emitieran luz (TU Wien). Los nuevos relojes miden la absorción y registran cuánta luz ultravioleta absorben los núcleos de torio incrustados en un cristal. La señal llega enseguida, de modo que los núcleos pueden seguir corrigiendo el láser mientras el reloj funciona: un avance del que hemos informado esta semana (To Brief).

El reloj de Viena funcionó durante más de 24 horas sin intervención (TU Wien). Pekín produjo luz ultravioleta con otra técnica, lo que demuestra que es posible construir una referencia nuclear sin depender del equipo de un solo laboratorio.

Un día buscando una oscilación

Viena hizo funcionar después su reloj nuclear junto a un reloj atómico de iones de iterbio en BEV, el organismo austríaco de metrología. Si ambos relojes responden igual a todo lo que los rodea, la proporción entre sus ritmos se mantiene fija. Si esa proporción deriva u oscila, algo está afectando de manera distinta a los núcleos y a los electrones.

El torio es excepcionalmente sensible a esas diferencias. Su pequeño salto de energía es lo que queda después de que casi se anulen contribuciones mucho mayores, como el saldo de una cuenta obtenido al restar dos cifras enormes. Un pequeño cambio en cualquiera de ellas puede alterar mucho el resultado. Por eso, la teoría predice que una variación mínima en las constantes de la naturaleza cambiaría la frecuencia nuclear mucho más que una electrónica.

Algunos modelos de materia oscura describen un campo invisible que llena el espacio y oscila lentamente, haciendo variar esas constantes. Si ese campo existe, la proporción entre los dos relojes debería oscilar a su ritmo.

En unas 23 horas de mediciones, ninguna oscilación superó el nivel de ruido (arXiv). Un resultado nulo también aporta información, porque descarta versiones de la materia oscura que habrían producido una señal visible. La gran mejora se refiere a la materia oscura que interactuaría mediante la fuerza fuerte, la que mantiene unidos los núcleos atómicos, y solo en parte del intervalo de masas posibles. Para las interacciones con la luz, los nuevos límites apenas igualan los de relojes atómicos anteriores; además, su precisión depende de las estimaciones de la teoría nuclear sobre la sensibilidad del torio (documentación de revisión por pares de Nature).

Por qué los nuevos relojes aún se desvían

Los dos relojes nucleares se desvían mucho más que los mejores relojes atómicos, como el reloj de iones de aluminio de NIST (NIST). Parte del problema es que la absorción es tenue, así que los relojes deben encontrar el centro de la nota a partir de cambios mínimos en la luz detectada.

El cristal plantea un segundo problema. Los núcleos de torio están en entornos ligeramente distintos, por lo que no todos emiten exactamente la misma nota. En Viena, la línea se desplazó hasta unos 1,7 kilohertz según el punto del cristal que atravesaba el láser (Nature).

Los físicos llaman anchura de línea a la nitidez de esa nota: una línea estrecha es un tono puro; una ancha se difumina como un acorde y resulta más difícil de fijar. En un prepublicado de investigadores de JILA y TU Wien, aún sin revisión por pares, una transición pasó de 28,6 a 94,8 kilohertz en tres cristales con concentraciones crecientes de torio (arXiv). Ekkehard Peik, de PTB, ha comparado líneas de decenas de kilohertz de anchura con la anchura natural del núcleo, que se espera que esté muy por debajo de un hercio (Physics World).

Los primeros relojes nucleares aún miden el tiempo con poca precisión, pero ya son instrumentos de investigación en funcionamiento. Un solo día comparando un núcleo con los electrones de un átomo ha estrechado algunos límites sobre cómo podría la materia oscura afectar a la fuerza fuerte, aunque las señales tenues y los cristales que albergan los núcleos todavía impiden que estos relojes alcancen la nitidez que puede ofrecer el torio.