Acabamos de conseguir el primer reloj nuclear del mundo y tiene una importante misión física
Nos acercamos hasta los cristales de torio para medir la estabilidad de una de las constantes más fundamentales del universo
El año pasado, la Universidad Técnica de Viena presentó al mundo el primer reloj nuclear. Este hito que parecía reservado a la ciencia ficción, ya que se consiguió medir el tiempo no a través de la vibración de un átomo, como en los relojes atómicos tradicionales, sino gracias transiciones de estados en el núcleo de torio. Ahora, esa tecnología es la herramienta utilizada para responder una pregunta básica en física: ¿las constantes fundamentales de la naturaleza realmente no varían lo más mínimo?
La constante de estructura fina y el torio
Lo primero que habría que aclarar es a qué nos referimos cuando hablamos de constante de estructura fina, la gran protagonista del artículo publicado en la revista científica Nature Communications. Estamos ante todo un misterio, dado que su valor es de 1/137 y no tiene unidades, es decir, es lo que se denomina pura. Como definición, podríamos decir que la constante de estructura fina mide la intensidad de la interacción electromagnética.
Y es importante porque puede ser utilizada para determinar cómo se atraen o repelen las partículas cargadas, cómo se forman los enlaces químicos y cómo la luz se relaciona con la materia. Thorsten Schumm, profesor del Instituto de Física Atómica y Subatómica, afirma en el comunicado publicado en la página web de la Universidad Técnica de Viena que:
Normalmente, asumimos que dichas constantes son universales; es decir, que tienen el mismo valor en todo momento y en todo el universo. Sin embargo, también existen teorías que predicen que la constante de estructura fina cambia lentamente en pequeñas cantidades o incluso oscila periódicamente. Esto revolucionaría por completo nuestra comprensión de la física; pero para comprobarlo, necesitamos poder medir los cambios en la constante de estructura fina con extrema precisión. Nuestro reloj atómico de torio ahora lo hace posible por primera vez.
Este es el aspecto que tiene el cristal de torio del reloj atómico de la Universidad Técnica de Viena
El secreto para alcanzar esa precisión reside en el propio núcleo de torio, el corazón del elemento y que está conformado por protones y neutrones. Puede encontrarse en dos estados diferentes: uno básico, de baja energía, y otro excitado, con un nivel ligeramente superior. Cuando el núcleo cambia de estado, también lo hace su forma, pasando de un perfil más alargado, similar a un cigarrillo, a otro más achatado, como una lenteja. Ese cambio altera el campo eléctrico interno, en concreto su componente cuadrupolar, que es un indicador muy sensible a la constante de estructura fina.
Gracias a técnicas de espectroscopía láser aplicadas a los cristales de torio, cultivados en Viena y analizados en Boulder, Colorado, los científicos lograron medir esa transición con una exactitud nunca vista. ¿El resultado? Una capacidad de detección de variaciones en la constante unas seis mil veces más precisa, con lo que el hallazgo no solo confirma la viabilidad del reloj nuclear, sino que lo convierte en una nueva herramienta para explorar nuevas fronteras de la física.
Si alguna vez se detecta una fluctuación en la constante de estructura fina, se abriría una puerta a teorías que van más allá del modelo estándar, desde posibles interacciones con campos oscuros hasta dimensiones adicionales. Por ahora, el 1/137 sigue resistiendo como símbolo de estabilidad universal, aunque el reloj nuclear de torio ya está preparado para descubrir si esa constante es solo una ilusión.