Átomos fríos para una nueva física – CERN Courier

Los días 13 y 14 de marzo, el CERN acogió una conferencia internacional taller sobre la interferometría atómica y las perspectivas de futuros experimentos a gran escala utilizando esta técnica de detección cuántica. El taller contó con unos 300 participantes registrados, de los cuales aproximadamente la mitad asistió en persona. Como se indicó en un simposio introductorio de Mark Kasevich (Stanford), uno de los pioneros en el campo, esta tecnología de detección cuántica es muy prometedora para realizar mediciones ultrasensibles en física fundamental. Al igual que la interferometría de luz, la interferometría atómica es la medición de patrones de interferencia, pero entre paquetes de ondas atómicas y no entre ondas de luz. Las interacciones entre las ondas de materia oscura bosónicas ultraligeras coherentes y las partículas del modelo estándar podrían inducir un cambio observable en la fase de interferencia, muy similar al paso de las ondas gravitacionales.

La interferometría atómica es un concepto bien establecido que puede proporcionar una sensibilidad excepcionalmente alta, por ejemplo, a los efectos de inercia/gravitación. Los diseños experimentales aprovechan las características utilizadas por los relojes atómicos de última generación en combinación con técnicas establecidas para construir sensores inerciales. Esto hace que la interferometría atómica sea un candidato ideal para perseguir la física más allá del modelo estándar, como las ondas bosónicas ultraligeras de materia oscura, o para medir ondas gravitacionales en un rango de frecuencia de alrededor de 1 Hz que es inaccesible para experimentos de interferencia láser en la Tierra, como LIGO, Virgo y KAGRA, o el próximo experimento espacial LISA. Como se discutió durante el taller, las mediciones de ondas gravitacionales en este rango de frecuencia podrían revelar fusiones de agujeros negros con masas intermedias entre las accesibles a los interferómetros láser, iluminando la formación de los agujeros negros supermasivos que habitan en los centros de las galaxias. Los experimentos con interferómetros atómicos también permiten explorar los límites de la mecánica cuántica y su interfaz con la gravedad, por ejemplo, midiendo una análogo gravitatorio del efecto Aharonov-Bohm.

Un pozo profundo en LHC Point 4 es una ubicación prometedora para un interferómetro atómico con una línea de base vertical de más de 100 m.

Aunque el objetivo principal de la reunión fue el potencial de los interferómetros atómicos para mediciones científicas fundamentales, también se señaló que las tecnologías basadas en los mismos principios también tienen muchas aplicaciones prácticas. Estos incluyen gravimetría, geodesia, navegación, cronometraje y observación de la Tierra desde el espacio, proporcionando, por ejemplo, una técnica nueva y sensible para monitorear los efectos del cambio climático a través de mediciones del campo de gravedad de la Tierra.

Ya existen varios interferómetros de átomos grandes con una longitud de 10 m, por ejemplo en la Universidad de Stanford, o están en proyecto, por ejemplo en Hannover (VLBAI), en Wuhan y en la Universidad de Oxford (AION). Sin embargo, muchas medidas físicas propuestas requieren instalaciones de próxima generación con una longitud de 100 m, y tales experimentos están en construcción en Fermilab (MAGIS), Francia (MIGA) y China (ZAIGA). La colaboración del Observatorio y la Red Interferométrica Atómica (AION) está evaluando posibles sitios en el Reino Unido y en el CERN. En este contexto, una reciente estudio de factibilidad conceptual apoyado por el grupo de estudio CERN Physics Beyond Colliders concluyó que un pozo profundo en el punto 4 del LHC es una ubicación prometedora para un interferómetro atómico con una línea de base vertical de más de 100 m. El taller de marzo proporcionó un foro para discutir estos proyectos, su estado actual, planes futuros y posibles sensibilidades.

A más largo plazo, los participantes discutieron las perspectivas de uno o más interferómetros atómicos a escala de kilómetros, que proporcionarían la máxima sensibilidad posible con un experimento terrestre para buscar materia oscura ultraligera y ondas gravitacionales. Se acordó que la comunidad global interesada en tales experimentos trabajaría en conjunto para establecer una protocolaboración informal que podría desarrollar el registro científico de estas instalaciones, proporcionar un foro para intercambiar ideas sobre cómo desarrollar las tecnologías necesarias y desarrollar una hoja de ruta para su realización.

Lo más destacado del taller fue una sesión de carteles que permitió a 30 investigadores principiantes presentar sus ideas y trabajos actuales sobre proyectos que explotan las propiedades cuánticas de los átomos fríos y temas relacionados. La vivacidad de esta sesión mostró cómo este campo interdisciplinario en las fronteras de la física atómica, la física de partículas, la astrofísica y la cosmología inspira a la próxima generación de investigadores. Estos investigadores podrían formar el núcleo del equipo que conducirá a los interferómetros atómicos a su máximo potencial.