lunes, 24 de agosto de 2015

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.112.151105arXiv: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 deβM < 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 (βMβγ). 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 (ΛM) 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.
http://francis.naukas.com/