Nuevo límite de exclusión para la interacción entre el campo camaleón y la materia

Dibujo20150821 Atom-interferometry chameleon field dark energy - science mag

El 68,3% de la energía total del universo es energía oscura. Podría ser la constante cosmológica de Einstein, que produce una presión negativa, o podría ser resultado de un campo escalar (el cosmón) que cambia con el tiempo, según los modelos de quintaesencia. Si el cosmón se acopla a la materia, debería haber sido observado en las medidas de precisión del principio de equivalencia. La solución son los modelos de tipo camaleón, en los que el cosmón adquiere una masa que depende de la densidad local de materia.

Los modelos tipo camaleón (cosmón) son tan difíciles de falsar como los modelos de la inflación (inflatón), ya que su espacio de parámetros es muy amplio. Aún así, se pueden realizar observaciones y experimentos que acoten dicho espacio. Se publica en Science un experimento de interferometría atómica que ofrece la cota más estricta a los modelos de tipo camaleón. No los descarta, pero reduce bastante su espacio de parámetros, lo que se puede interpretar como apoyo a la idea de la constante cosmológica como explicación de la energía oscura.

El artículo es P. Hamilton et al., «Atom-interferometry constraints on dark energy,» Science 349: 849-851, 21 Aug 2015, doi: 10.1126/science.aaa8883arXiv:1502.03888 [physics.atom-ph]; más información divulgativa en Jörg Schmiedmayer, Hartmut Abele, “Probing the dark side,” Science 349: 786-787, 21 Aug 2015, doi:10.1126/science.aac9828.

Los campos escalares de tipo camaleón están acoplados a la materia mediante un parámetro llamado βM (cuyas unidades son el inverso de la masa de Planck) y a los fotones (radiación) con un parámetro llamado βγ. Además, están caracterizados por un exponente llamado n (el campo escalar del camaleón es V(φ) = Λ4+nn). Las restricciones cosmológicas para el valor de estos parámetros son muy pobres. Pero gracias al ingenio de los investigadores también se pueden estudiar en laboratorio.

Dibujo20150821 Regions of exclusion - chameleon field dark energy - science mag

Esta figura resume la situación actual, con las nuevas medidas en celeste (marcadas con «Atom interferometry» en blanco). Para el acoplo con la masa, figura de la izquierda, se muestra el resultado obtenido mediante espectroscopia gravitacional resonante («Neutron gravity resonance»), que logró la cota βM < 5,8 × 108 para todo n (T. Jenke et al., «Gravity Resonance Spectroscopy Constrains Dark Energy and Dark Matter Scenarios,» Physical Review Letters 112: 151105, 16 Apr 2014, doi: 10.1103/PhysRevLett.112.151105, arXiv:1404.4099 [gr-qc]); se trata de medidas espectroscópicas de precisión de los estados cuánticos de neutrones ultrafríos confinados encima de una espejo plano en el que rebotan como una pelota gracias al campo de la gravedad terrestre.

Mediante interferometría de neutrones («Neutron interferometry») se logró una cota de βM < 1,9 × 107 para n=1 (H. Lemmel et al., «Neutron interferometry constrains dark energy chameleon fields,» Physics Letters B 743: 310-314, 9 Apr 2015, doi: 10.1016/j.physletb.2015.02.063arXiv:1502.06023 [hep-ph]); se trata de medidas del desplazamiento de la fase de la función de onda de neutrones ultrafríos en una cámara de vacío en la que se varía la presión inyectando helio.

Para el acplo del campo camaleón con la radiación (los fotones) se presentan en la parte izquierda de esta figura los resultados de los experimentos CHASE (GammeV CHameleon Afterglow SEarch), ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) y CAST (CERN Axion Solar Telescope). Sin entrar en más detalles se observa que se ha reducido considerablemente el espacio de parámetros en el plano (βM, βγ). Futuros experimentos lograrán reducirlo aún más.

Dibujo20150821 data - chameleon field dark energy - science mag

Paul Hamilton (Univ. California, Berkeley, EEUU) y sus colegas han implementado una idea reciente de Clare Burrage et al., «Probing dark energy with atom interferometry,» Journal of Cosmology and Astroparticle Physics JCAP03(2015)042, doi: 10.1088/1475-7516/2015/03/042arXiv:1408.1409 [astro-ph.CO], usar un interferómetro atómico para estudiar la interacción del campo camaleón con la materia.

En una cámara de ultravacío se simulan las condiciones del vacío cósmico del espacio, siendo la densidad de materia tan baja que el campo camaleón es medible. La función de onda de átomos de cesio cerca de una esfera de aluminio se verá alterada por el campo camaleón. La aceleración residual de estos átomos de cesio se puede medir mediante un interferómetro, resultando menor de 5,5 µm/s², lo que permite obtener una cota (espectacular) de βM < 4,3 × 104.

Dibujo20150821 lambda - mass planck - chameleon field dark energy - science mag

En el plano (Λ, M) se observa que el objetivo es alcanzar el valor βM < 1, que permitirá descartar los campos tipo camaleón (pues tendrían que ser transplanckianos). El experimento de interferometría atómica de Hamilton et al. está limitado por errores sistemáticos. Siendo un primer experimento de este tipo, se prometen importantes avances en los próximos años. Quizás no esté tan lejos alcanzar el valor β= 1.

Estos experimentos de laboratorio nos ilustran cómo podemos explorar la energía oscura (al menos, los modelos de tipo camaleón) y la física a la escala de Planck (y más allá). Pequeñísimos efectos medibles en laboratorio nos permiten explorar escalas más allá de lo que permiten los grandes colisionadores de partículas.

Muchas veces se afirma que la teoría de cuerdas y otras teorías de gravedad cuántica no son falsables mediante experimentos porque no podemos explorar la escala de Planck mediante colisionadores. Pero no olvidemos que la podemos explorar en laboratorio gracias a la inteligencia y la imaginación de los físicos experimentales. La física de ultraprecisión nos permite llegar hasta el infinito y más allá.



4 Comentarios

  1. Hola Francis.

    Permíteme apuntar que en el ámbito de la ciencia el término paradigma está asociado al conjunto de prácticas comúnmente aceptadas por la comunidad científica y en las que se desarrolla el quehacer científico en un determinado marco temporal. En este sentido, los cuerdistas suelen hablar de «cambio de paradigma» para defender la bondad y justeza de sus especulaciones teóricas, queriendo aludir al hecho de que el punto actual en que se encuentra el desarrollo de la ciencia física requiere que la aceptación de las nuevas especulaciones físicas no se base única y exclusivamente en su contenido empírico, como hasta ahora -paradigma clásico, sino también en factores como su plausibilidad matemática y su coherencia conceptual con las teorías y leyes anteriores. Vamos, estamos hablando de un auténtico «golpe de Estado» en el mundo de la ciencia, y de ahí el escándalo de muchos y que se hable en los casos más extremos de pseudociencia.

    Es por ello que para las especulaciones cuerdistas de carácter físico, como las cosmogonías/cosmología en base a mundos paralelos, por ejemplo, creo que es más apropiado utilizar el término «modelo teórico» en lugar de paradigma. Así se evitan confusiones, porque utilizar el término paradigma para la TC y la física clásica, a secas, iguala ambos modelos a un nivel que no es coherente con su estatus real -siempre en base al «paradigma clásico», claro está: el contenido empírico de la física clásica es abundante y por eso contiene teorías y Leyes, mientras que el contenido empírico de la TC es nulo en su estado actual, por lo que no llega, en el contexto del «paradigma clásico», repetimos, ni siquiera al nivel de hipótesis, que es lo mínimo exigible a cualquier especulación teórica que pretenda ser aceptada posteriormente como teoría/Ley.

    En fin, quizás se pueda ver como un simple asunto de semántica, pero creo que la aclaración es interesante.

    Saludos.

    1. Jesús, llámale como quieras, pero la teoría de cuerdas es un nuevo paradigma en el sentido de Kuhn, el habitual en epistemología y filosofía de la ciencia. Como lo son la física clásica, la física newtoniana, la física cuántica (no relativista), la teoría cuántica de campos, etc. Si no te gusta, lo siento.

      1. Hola Francis, si entrar en mucho detalle, la tc se puede considerar como un nuevo paradigma kuhniano, pero esa etiqueta lleva asociada dos ideas: el propio modelo físico y las condiciones de aceptabilidad de su validez. En filosofía de la ciencia ambas cosas van unidas, hablar de paradigma para referirse sólo al modelo físico no es relevante ni operativo al nivel explicativo, así lo reconoció el propio Kuhn y evolucionó en correspondencia su concepto de paradigma hasta el sentido final que indico. Precisamente los cuerdistas hacen énfasis en la idea de «nuevo paradigma» porque tiene interés en relajar las condiciones de aceptabilidad de una teoría ante la incapacidad de los modelos físicos basados en cuerdas para desarrollar contenido empírico que sea confirmable en un plazo de tiempo realista. Canónicamente hablando, si aceptas el «paradigma de la tc» y nos fijamos en el grupo más extremista de los cuerdistas, entonces aceptas implícitamente que no es exigible la estricta verificación experimental para aceptar un modelo físico, vamos, concedes valor a la Metafísica como explicación del funcionamiento del universo. Saludos.

        1. Jesús, ¿cuándo nació el paradigma de la física clásica? ¿cuándo adquirió contenido empírico? ¿1665? ¿1687? ¿1728? ¿cuándo nació el paradigma de la física relativista? ¿cuándo adquirió contenido empírico? ¿1862? ¿1905? ¿1915? Los paradigmas no nacen de forma instantánea, ni adquieren contenido empírico de manera instantánea. El paradigma cuerdista ha empezado a desvelarse alrededor de 1995 y sigue en desarrollo. Faltan décadas para que sea completado y pueda ser dotado de contenido empírico. Pero eso no significa que estamos asistiendo al parto de un nuevo paradigma para la física fundamental. Muy pocos físicos lo dudan.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 21 agosto, 2015
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science
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