Un equipo liderado por China ha detectado la primera evidencia experimental de partículas que se comportan como un gravitón, una partícula buscada durante mucho tiempo que da origen a la gravedad, una fuerza fundamental en nuestro universo.
Sondando la luz en modos quirales de gravitones en líquidos de efecto Hall cuántico fraccionario. Crédito: Universidad de Nanjing.
Al colocar una delgada capa de semiconductor bajo condiciones extremas y excitar a sus electrones para que se muevan al unísono, los investigadores de la Universidad de Nanjing, junto con colegas de Estados Unidos y Alemania, descubrieron que los electrones giraban de una manera que solo se espera que exista en los gravitones.
Aunque el experimento no confirmó directamente la existencia de los gravitones, fue lo más cercano que los científicos han llegado y abriría un nuevo camino para la búsqueda de gravitones en laboratorios, informó el equipo en la revista Nature.
«Nuestro trabajo ha demostrado la primera corroboración experimental de gravitones en materia condensada desde que se concibió la esquiva partícula en la década de 1930», dijo Du Lingjie, autor principal del estudio de la Universidad de Nanjing, a la agencia de noticias estatal Xinhua.
«El gravitón es un puente que conecta la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general. Si se confirma, tendrá enormes implicaciones para la investigación en física moderna», agregó.
Según el artículo, el estudio fue altamente colaborativo. Investigadores de la Universidad de Princeton prepararon muestras de semiconductor de alta calidad, mientras que el experimento se llevó a cabo en una instalación única que Du y su equipo tardaron tres años en construir.
El experimento
En su teoría de la relatividad general, Albert Einstein describió la gravedad como distorsiones del espacio-tiempo causadas por la masa y la energía. Esta teoría, que explica la gravedad de manera hermosa a gran escala, plantea desafíos en la mecánica cuántica, que gobierna el universo a la escala más pequeña. Como resultado, se propuso el gravitón como una partícula dedicada a transportar la gravedad. Si existiera, un gravitón debería ser sin masa y viajar a la velocidad de la luz, excepto que, hasta ahora, los gravitones nunca han sido observados en el espacio.
Cuando Du era investigador postdoctoral en la Universidad de Columbia en 2019, su equipo descubrió un fenómeno de excitación especial en materiales cuánticos que llevó a los físicos teóricos a pensar que podría señalar la detección de gravitones.
Bajo ciertas condiciones, los efectos cuánticos hacen que los electrones se comporten de manera extraña: interactúan fuertemente entre sí y forman un líquido inusual.
Sin embargo, los requisitos para realizar tales experimentos eran altos. El sistema necesitaba colocarse en un potente refrigerador donde las temperaturas estuvieran cerca del cero absoluto, y expuesto a un campo magnético 100.000 veces más fuerte que el campo magnético promedio de la Tierra.
Algunos requisitos incluso podrían parecer contradictorios.
«Por ejemplo, tenemos que instalar ventanas en el refrigerador para realizar mediciones ópticas, pero las ventanas pueden hacer que la temperatura del sistema suba fácilmente», dijo Liang Jiehui, coautor del artículo, de la Universidad de Nanjing.
«Trabajando a menos 273.1 grados Celsius, nuestro “microscopio” especial puede capturar excitaciones de partículas tan débiles como 10 gigahertzios y determinar su espín», explicó.
Los investigadores utilizaron una lámina plana de semiconductor de arseniuro de galio, que cuando se sometió a baja temperatura y un campo magnético mostró un fenómeno llamado efecto Hall cuántico. Los electrones en el semiconductor comenzaron a interactuar entre sí y se movieron de manera altamente organizada, como un líquido.
Luego, el equipo irradió un láser finamente ajustado sobre el material para estudiar la posible excitación de los electrones, descubriendo que estos se encontraban haciendo un llamado espín cuántico tipo 2, que solo existiría en gravitones. Luego midieron el momento y la energía de los electrones, y confirmaron evidencia de que se comportaban de manera similar a un gravitón.
«Nos llevó tres años construir el dispositivo experimental. Fue muy desafiante y lo logramos. Esperamos seguir usando esto para continuar la búsqueda de gravitones. Con suerte, conducirá a más hallazgos de vanguardia en la frontera cuántica», concluyó Du.
Fuente: SCMP. Edición: MP
Científicos chinos detectan algo que se comporta como una partícula de la gravedad