Nueva medida de la constante de gravitación universal usando átomos fríos

Dibujo20140618 Precision measurement of the Newtonian gravitational constant using cold atoms - nature

Se publica en Nature una nueva medida de la constante de gravitación universal de Newton. Está basada en la medida de la fuerza gravitatoria entre un átomo de rubidio y una masa 516 kilogramos. El resultado obtenido es G = (6,67191 ± 0,00099) × 10−11 m³/kg/s², que tendrá que combinarse con otros resultados en el futuro valor CODATA 2014 (sobre todo con los obtenidos con balanzas de torsión, cuyo error es mucho más pequeño). Este nuevo valor está a 1,5 σ del valor CODATA 2010, que es G = (6,67384 ± 0,00080) × 10−11 m³/kg/s².

En el nuevo artículo se ha usado la técnica de interferometría láser aplicada a átomos fríos, lográndose un error relativo de sólo 0,015 %. Lo más curioso es que se ha usado la metrología cuántica, aunque el resultado medido es puramente clásico.

El artículo técnico es G. Rosi et al., “Precision measurement of the Newtonian gravitational constant using cold atoms,” Nature, AOP 18 Jun 2014; más información en Stephan Schlamminger, “Fundamental constants: A cool way to measure big G,” Nature, News & Views, AOP 18 Jun 2014. En español recomiendo leer “Nueva medida de la constante de gravitación universal,” Agencia SINC, 18 Jun 2014.

Dibujo20140618 Sketch of the experiment - rb atom interferometer - gravity gradiometer - nature

La idea básica del nuevo experimento es usar un interferómetro como gravímetro (o gravitómetro), es decir, como sensor de la gravedad. Para reducir los errores sistemáticos no identificados, el experimento se ha diseñado en una configuración diferencial doble: se utilizan dos interferómetros y se restan las medidas para disminuir las señales espurias de origen común. Las masas de tungsteno que generan el campo gravitatorio se colocaron en dos configuraciones (posiciones) diferentes para modular la señal gravitatoria medida.

El interferómetro se basa en pulsos de luz que estimulan la transición Raman de dos fotones entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental de átomos de rubidio 87. Dos nubes de átomos ultrafríos son lanzadas a lo largo de la dirección vertical y son medidas de forma simultánea por la misma secuencia de pulsos ópticos. Cada interferómetro mide la diferencia en la fase detectada a su salida, lo que permite medir de forma directa la aceleración diferencial inducida por la gravedad en las dos nubes de átomos (aproximadamente unos 3 × 10−9 g (la aceleración de la gravedad en la Tierra) durante un segundo). Este método permite eliminar cualquier aceleración espuria inducida por vibraciones o ruido sísmico en el marco de referencia común.

La figura de arriba muestra el esquema del experimento. Las nubes de átomos lanzados desde arriba y desde abajo parten de trampas magneto-ópticas que almacenan hasta unos ~ 109 átomos de rubidio enfriados a unos ~ 4 μK. Los átomos se lanzan verticalmente a lo largo del tubo cilíndrico de vacío cuando se corta el campo magnético que los atrapa. La separación de las nubes de átomos antes del lanzamiento es de 328 mm. Durante el lanzamiento, las medidas de los autores indican que los átomos mantienen su temperatura de ~ 4 μK con pocos cambios.

Los autores afirman en su artículo que la nueva técnica desarrollada promete importantes mejoras en un futuro no muy lejano, lo que podría permitir reducir los errores sistemáticos al menos en un orden de magnitud (acercándose a los que se logran en la actualidad con las balanzas de torsión).

Dibujo20140618 comparison 32 years measurement gravitational constant - nature

Esta figura muestra las medidas de la constante de gravitación universal obtenidas en los últimos 32 años. El error del nuevo método de medida es mayor que el logrado por Luther y Towler en 1982. Sin embargo, nadie debe sorprenderse, pues se ha utilizado una nueva técnica. Este tipo de resultados pioneros suelen tener errores grandes, que con avances pequeños son reducidos por otros autores.

Muchos se preguntarán por qué las medidas de la constante de gravitación universal, siendo una constante fundamental, muestran una dispersión tan grande (lo que exige un trabajo delicado de combinación por parte de los miembros de CODATA). La razón fundamental es que la gravitación es una interacción muy débil, extremadamente débil, a nivel atómico y molecular. Por ello hay que utilizar sistemas que combinan lo microscópico y lo macroscópico, y con lo macroscópico es muy difícil realizar medidas con un error muy pequeño.

El nuevo trabajo de Rosi y sus colegas se enmarca en muchos trabajos realizados en los últimos 6 años que han logrado reducir la incertidumbre del valor oficial CODATA en un factor de 10. Su trabajo continuará en esta línea y en el próximo lustro se espera que este error se reduzca aún más.

6 comentarios

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David David

No entiendo lo de que han reducido la incertidumbre en un factor 10. La precision de la nueva medida es equivalente a la de CODATA 2010, ¿no?
Me da la impresión de que lo novedoso no es tanto la precisión en sí como el hecho de que este resultado esté a 1.5simga del CODATA, es decir, que sean “incompatibles”.

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

David, lo novedoso es el método de medida. Comparado con otros métodos, el nuevo método es “malo” pero se espera que sea mejorado en el FUTURO (y que se logre bajar su error en un factor de 10).

No le busques los cinco pies al gato. Las 1,5 sigmas han sido utilizadas por los autores para afirmar que su valor es “correcto”. Todo lo contrario a lo que sugieres (que son “incompatibles”). En este tipo de medidas por debajo de 2 sigmas hay buena compatibilidad y se habla de incompatibilidad a partir de 4 sigmas (en este último caso mucha gente habría dudado seriamente de la nueva medida).

Saludos
David

Gerardo Gerardo

Si viera la tabla de medidas con las barras de errores sin saber que se trata de la gravedad, diria una o varias de las siguientes:
1) ninguno sabe lo que esta haciendo
2) todos tienen un error sistematico grande
3) la constante que intentas medir NO ES CONSTANTE
4) las ecuaciones o axiomas sobre los que basas tus calculos ESTAN ERRADOS

Si ninguno esta cometiendo errores sistematicos, la constante es “constante”, y entiendo bien el comportamiento fisico del fenomeno estudiado: las barras de error deberian solaparse, ¿me equivoco?

Gerardo Gerardo

5) que todos estan subestimando sus errores, las barras de error son mucho más grandes, por ende hay un error en el calculo o en las ecuaciones

Rigoberto Carbajal Valdez Rigoberto Carbajal Valdez

Entoces porque no la miden en el espacio exterior donde las fuestes de error serian menores.

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