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Esta serie de gráficos muestra el cambio de densidad de una nube de átomos a medida que se enfría a temperaturas cada vez más bajas (de izquierda a derecha) que se acercan al cero absoluto. La aparición de un pico pronunciado en los gráficos posteriores confirma la formación de un condensado de Bose-Einstein en un quinto estado de la materia. Crédito: NASA/JPL

A principios de este mes, un sofisticado experimento científico instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS) enfrió átomos de rubidio solo una fracción de grado por encima del cero absoluto. Las condiciones hicieron que la nube de átomos cambiara a una fase exótica de materia conocida como condensados ​​de Bose-Einstein (BEC). Esta fue la primera vez que se crearon BEC en órbita, lo que ofrece oportunidades para probar la naturaleza de la gravedad y unificarla con otras fuerzas fundamentales.

No es tu refrigerador típico

Las cuatro fuerzas fundamentales del universo son el electromagnetismo, las fuerzas nucleares fuerte y débil y la gravedad. La mecánica cuántica puede explicar cómo interactúan los tres primeros en las escalas más pequeñas posibles, sin embargo, la gravedad no se puede describir en un marco cuántico. Esto es bastante problemático y, como tal, los científicos han estado tratando durante décadas de reconciliar las fuerzas fundamentales con la llamada Teoría del Todo.

Hay muchas piezas de rompecabezas que deben ser revueltas y encajadas antes de que los científicos puedan esperar unificar las fuerzas fundamentales y el Laboratorio de Átomos Fríos (CAL) de la NASA ubicado en la ISS está diseñado para ayudar en este sentido.

Recientemente, los científicos de CAL anunciaron que habían producido BEC a partir de átomos de rubidio, que se enfriaron a solo 100 nanoKelvin, uno-diez millones de un Kelvin por encima del cero absoluto (-273 C; -459 F), que es alrededor de 3 Kelvin más frío que el espacio ambiente.

A temperaturas tan bajas, los átomos casi no tienen movimiento. Libres del caos de la vibración atómica, los científicos ahora pueden estudiar comportamientos fundamentales y características cuánticas que son casi imposibles de hacer a temperaturas más altas.

Esta fue la primera vez que se crearon BEC en órbita, uno de los lugares más fríos del universo. Estos fueron predichos por primera vez en la década de 1920 por Albert Einstein y el físico indio Satyendra Bose, pero no fue sino hasta 1995 que los científicos pudieron producir las condiciones necesarias para que se produjera este estado extremo de la materia, que implica el enfriamiento de un gas con trampas láser hasta un fracción de un Kelvin.

A temperatura ambiente, los átomos son increíblemente rápidos y se comportan como bolas de billar, rebotando entre sí cuando interactúan. A medida que bajas la temperatura más y más (recuerda que la temperatura refleja la agitación atómica), los átomos y las moléculas comienzan a moverse más lentamente. Eventualmente, una vez que llegas a aproximadamente 0,000001 grados por encima del cero absoluto, los átomos comienzan a comportarse como ondas, en lugar de partículas, como deberían hacerlo en la escala macroscópica. Esencialmente, los átomos se comportan como un súper átomo, actuando al unísono. Es por eso que los BEC son más fáciles de estudiar.

Pero crear un condensado de Bose-Einstein es un proceso extremadamente difícil, que le valió a tres físicos el premio Nobel en 2001 por su innovador trabajo. Incluso con un plan bastante sólido establecido sobre cómo hacer el condensado, los físicos tienen que ajustar minuciosamente su proceso hasta que sea perfecto.

El Laboratorio de Átomos Fríos (CAL) consta de dos contenedores estandarizados. El contenedor más grande se llama casillero cuádruple y el contenedor más pequeño se llama casillero individual. El casillero cuádruple contiene el paquete de física de CAL, o el compartimento donde CAL producirá nubes de átomos ultrafríos. Crédito: NASA/JPL-Caltech/Tyler Winn.

En la Tierra, los experimentos BEC requieren equipos que llenarían una habitación completa y un monitoreo constante por parte de los científicos. El experimento CAL tiene aproximadamente el tamaño de un refrigerador pequeño y se opera de forma remota desde el Centro de Operaciones de Misiones en Órbita Terrestre en JPL. Las operaciones diarias de CAL no requieren la intervención de los astronautas a bordo de la estación.

Fue una lucha y requirió un esfuerzo significativo superar todos los obstáculos necesarios para producir la instalación sofisticada que está operando en la estación espacial hoy, dijo Robert Shotwell, ingeniero jefe de la dirección de astronomía y física del JPL, en un comunicado.

Tener un experimento BEC operando en la estación espacial es un sueño hecho realidad, agregó.

Los científicos de CAL tienen la vista puesta en temperaturas aún más bajas, esperando alcanzar temperaturas más frías que cualquier experimento BEC que haya registrado en la Tierra. También planean usar otros átomos ultrafríos, como dos isótopos diferentes de potasio.

La creación de BEC en el espacio es deseable porque los efectos de la microgravedad permiten a los investigadores estudiar BEC individuales durante 5 a 10 segundos a la vez, con la capacidad de repetir las mediciones hasta seis horas por día. En contraste, los BEC son mucho más inestables en la Tierra porque la gravedad atrae a los átomos, lo que ofrece una pequeña ventana de una fracción de segundo para estudiarlos.

Hay un equipo de científicos de todo el mundo listo y emocionado de usar esta instalación, dijo Kamal Oudrhiri, gerente de misión de JPL para CAL. La diversa gama de experimentos que planean realizar significa que hay muchas técnicas para manipular y enfriar los átomos que necesitamos adaptar a la microgravedad, antes de entregar el instrumento a los investigadores principales para comenzar las operaciones científicas. Se espera que la fase científica comience a principios de septiembre y dure tres años.

CAL aún se encuentra en su fase de puesta en marcha, lo que significa que los ingenieros están realizando pruebas para comprender cómo funciona CAL en microgravedad. Todo su potencial científico está, por tanto, lejos de haber sido alcanzado.

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