Varios miles de sensores distribuidos en un kilómetro cuadrado cerca del Polo Sur tienen la tarea de responder a una de las grandes preguntas pendientes de la física: ¿existe la gravedad cuántica? Los sensores monitorean los neutrinos (partículas sin carga eléctrica y casi sin masa) que llegan a la Tierra desde el espacio exterior. Un equipo del Instituto Niels Bohr (NBI) de la Universidad de Copenhague ha contribuido al desarrollo de un método que aprovecha los datos de neutrinos para revelar si existe gravedad cuántica.
“Si, como creemos, la gravedad cuántica realmente existe, esto contribuirá a unir los dos mundos actuales de la física. Hoy en día, la física clásica describe fenómenos de nuestro entorno normal, como la gravedad, mientras que el mundo atómico sólo puede describirse mediante la mecánica cuántica.
“La unificación de la teoría cuántica y la gravitación sigue siendo uno de los desafíos más destacados de la física fundamental. Sería muy satisfactorio si pudiéramos contribuir a ese fin”, afirma Tom Stuttard, profesor asistente del NBI.
Stuttard es coautor de un artículo publicado por la revista Física de la naturaleza. El artículo presenta los resultados de un amplio estudio realizado por el equipo del NBI y colegas estadounidenses. Se han estudiado más de 300,000 neutrinos.
Sin embargo, no se trata de neutrinos del tipo más interesante procedentes de fuentes del espacio profundo. Los neutrinos de este estudio se crearon en la atmósfera de la Tierra, cuando partículas de alta energía del espacio chocaron con nitrógeno u otras moléculas.
“Observar los neutrinos originados en la atmósfera terrestre tiene la ventaja práctica de que son mucho más comunes que sus hermanos del espacio exterior. Necesitábamos datos de muchos neutrinos para validar nuestra metodología. Esto se ha logrado ahora. Por lo tanto, estamos listos para entrar en la siguiente fase en la que estudiaremos los neutrinos del espacio profundo”, afirma Stuttard.
Viajando tranquilo por la Tierra
El Observatorio de Neutrinos IceCube está situado junto a la Estación Amundsen-Scott del Polo Sur en la Antártida. A diferencia de la mayoría de las otras instalaciones astronómicas y astrofísicas, IceCube funciona mejor para observar el espacio en el lado opuesto de la Tierra, es decir, el hemisferio norte. Esto se debe a que, si bien el neutrino es perfectamente capaz de penetrar nuestro planeta (e incluso su núcleo denso y caliente), otras partículas serán detenidas y, por lo tanto, la señal es mucho más limpia para los neutrinos provenientes del hemisferio norte.
Las instalaciones de IceCube son operadas por la Universidad de Wisconsin-Madison, EE. UU. Más de 300 científicos de países de todo el mundo participaron en la colaboración de IceCube. La Universidad de Copenhague es una de las más de 50 universidades que cuentan con un centro IceCube para estudios de neutrinos.
Dado que el neutrino no tiene carga eléctrica y casi no tiene masa, no se ve perturbado por fuerzas electromagnéticas ni nucleares fuertes, lo que le permite viajar miles de millones de años luz a través del universo en su estado original.
La pregunta clave es si las propiedades del neutrino en realidad permanecen completamente inalteradas cuando viaja grandes distancias o si, después de todo, los pequeños cambios son notables.
"Si el neutrino sufre los cambios sutiles que sospechamos, esta sería la primera evidencia sólida de gravedad cuántica", afirma Stuttard.
El neutrino se presenta en tres sabores.
Para comprender qué cambios en las propiedades de los neutrinos busca el equipo, se necesita cierta información básica. Si bien nos referimos a él como una partícula, lo que observamos como un neutrino son en realidad tres partículas producidas juntas, lo que en mecánica cuántica se conoce como superposición.
El neutrino puede tener tres configuraciones fundamentales (sabores, como los denominan los físicos) que son electrón, muón y tau. Cuál de estas configuraciones observamos cambia a medida que viaja el neutrino, un fenómeno verdaderamente extraño conocido como oscilaciones de neutrinos. Este comportamiento cuántico se mantiene a lo largo de miles de kilómetros o más, lo que se conoce como coherencia cuántica.
“En la mayoría de los experimentos, la coherencia pronto se rompe. Pero no se cree que esto sea causado por la gravedad cuántica. Es muy difícil crear condiciones perfectas en un laboratorio. Quieres un vacío perfecto, pero de alguna manera algunas moléculas logran colarse, etc.
"Por el contrario, los neutrinos son especiales porque simplemente no se ven afectados por la materia que los rodea, por lo que sabemos que si se rompe la coherencia no será debido a deficiencias en la configuración experimental creada por el hombre", explica Stuttard.
Muchos colegas se mostraron escépticos
Cuando se le preguntó si los resultados del estudio publicado en Física de la naturaleza fueron los esperados, el investigador responde: “Nos encontramos en una rara categoría de proyectos científicos, es decir, experimentos para los cuales no existe un marco teórico establecido. Por lo tanto, simplemente no sabíamos qué esperar. Sin embargo, sabíamos que podíamos buscar algunas de las propiedades generales que podríamos esperar que tuviera una teoría cuántica de la gravedad”.
“Si bien teníamos esperanzas de ver cambios relacionados con la gravedad cuántica, el hecho de que no los hayamos visto no excluye en absoluto que sean reales. Cuando se detecta un neutrino atmosférico en la instalación antártica, normalmente habrá viajado a través de la Tierra. Esto significa aproximadamente 12,700 km, una distancia muy corta en comparación con los neutrinos que se originan en el universo distante. Al parecer, se necesita una distancia mucho mayor para que la gravedad cuántica tenga impacto, si es que existe”, afirma Stuttard, señalando que el objetivo principal del estudio era establecer la metodología.
“Durante años, muchos físicos dudaron de que los experimentos pudieran alguna vez probar la gravedad cuántica. Nuestro análisis muestra que, de hecho, es posible, y con futuras mediciones con neutrinos astrofísicos, así como con la construcción de detectores más precisos en la próxima década, esperamos responder finalmente a esta pregunta fundamental”.