GRASIAN: Shaping and characterization of the cold hydrogen and deuterium beams for the forthcoming first demonstration of gravitational quantum states of atoms

La gravedad es la fuerza que sentimos en cada momento, el vínculo invisible que mantiene nuestros pies en el suelo y los océanos en sus cuencas. Durante siglos, hemos entendido la gravedad como una atracción suave y continua, una regla que se aplica por igual a una manzana que cae y a una nube que deriva. Pero en el mundo cuántico, donde las reglas de la física cambian para las partículas más pequeñas, la gravedad se comporta de manera diferente. No tira de forma suave; en su lugar, obliga a las partículas a situarse en niveles de altura específicos y discretos, de forma muy similar a una escalera donde puedes pararte en un peldaño pero nunca en el espacio intermedio. Estos se denominan estados cuánticos gravitacionales. Si bien los científicos ya han observado este extraño comportamiento en los neutrones, un nuevo esfuerzo intenta captarlo en los átomos, una hazaña que podría revelar si la gravedad funciona de la misma manera para toda la materia e incluso para la antimateria.

La colaboración GRASIAN, un equipo de físicos de Austria, Suiza, Finlandia y Francia, ha estado construyendo una máquina especializada para observar estos estados cuánticos en átomos de hidrógeno. Su objetivo es crear un haz de hidrógeno que se mueva de forma tan lenta y suave que los átomos puedan asentarse en estos peldaños invisibles de la gravedad. Para lograrlo, deben enfriar los átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto y guiarlos a través de una serie de aberturas estrechas, filtrando aquellos que se mueven demasiado rápido o de forma errática. El desafío es inmenso porque los átomos son increíblemente ligeros y difíciles de controlar, y la señal que producen es fácilmente ahogada por el ruido de fondo de las moléculas de gas errantes en la cámara de vacío.

En su trabajo más reciente, el equipo informa de avances significativos en el control de este entorno caótico. Comenzaron dando forma al haz de hidrógeno con una serie de agujeros y rendijas de precisión, estrechando la corriente de átomos a un ancho de apenas dos milímetros. Este proceso de colimación actúa como un tamiz, permitiendo que solo los átomos más ordenados pasen. Al ajustar cuidadosamente la altura de estas rendijas, los investigadores pueden seleccionar átomos con velocidades verticales muy específicas, filtrando aquellos que se mueven a solo unos pocos centímetros por segundo. Este movimiento lento y constante es esencial, ya que los átomos más rápidos simplemente pasarían por encima de los peldaños cuánticos sin llegar a asentarse en ellos.

Sin embargo, incluso con un haz perfectamente configurado, el experimento enfrentó un obstáculo importante: el ruido de fondo. Los detectores estaban captando señales de átomos de hidrógeno errantes que se habían filtrado en la cámara desde las paredes, lo que dificultaba distinguir la señal real del ruido. Para resolver esto, el equipo primero intentó sustituir el hidrógeno por su primo más pesado, el deuterio. Debido a que el deuterio es más pesado, se mueve más lentamente a la misma temperatura, y es mucho más raro en el sistema de vacío, lo que redujo naturalmente el ruido de fondo. Este cambio mejoró la claridad de la señal, permitiendo al equipo detectar átomos de deuterio moviéndose a velocidades inferiores a 95 metros por segundo.

La mejora más drástica llegó cuando rediseñaron la propia cámara de detección. Instalaron un escudo de doble capa enfriado por helio líquido, convirtiendo efectivamente el interior del detector en una criobomba que congela las moléculas de gas errantes. Este cambio simple pero poderoso eliminó casi por completo el ruido de fondo relacionado con el haz. Con el ruido suprimido, el equipo detectó con éxito átomos de hidrógeno moviéndose a velocidades de tan solo 72 metros por segundo, un umbral que los sitúa a tiro de piedra de las velocidades necesarias para observar los estados cuánticos gravitacionales.

Los investigadores utilizaron después simulaciones por ordenador para comprobar si su configuración actual está lista para el experimento final. Modelaron cómo se comportarían los átomos al pasar por un espectrómetro gravitacional, un dispositivo diseñado para medir la altura de estos estados cuánticos. Las simulaciones mostraron que, con las velocidades que han alcanzado ahora, deberían ser capaces de ver los escalones distintivos que marcan la presencia de los estados cuánticos gravitacionales. El equipo confía ahora en que su aparato está listo para sustituir la cámara de detección actual por el espectrómetro final. Si tiene éxito, este experimento marcará la primera vez que se observan estados cuánticos gravitacionales en átomos, abriendo una nueva ventana a la naturaleza fundamental de la gravedad y permitiendo potencialmente que los científicos prueben cómo actúa la gravedad sobre la antimateria en el futuro.