Este verano, una caja del tamaño de un cofre de hielo volará a la Estación Espacial Internacional, donde creará el lugar más frío del universo para la investigación de vanguardia en física atómica.
Dentro de esa caja, se usarán láseres, una cámara de vacío y un "cuchillo" electromagnético para anular la energía de las partículas de gas, ralentizándolas hasta que estén casi inmóviles.
Este conjunto de instrumentos se llama Laboratorio de Átomo Frío (CAL) y fue desarrollado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California. CAL está en las etapas finales de montaje en JPL, antes de un viaje al espacio este mes de agosto en el carguero de suministros SpaceX CRS-12.
Sus instrumentos están diseñados para congelar los átomos de gas a una mil millonésima de grado por encima del cero absoluto. Eso es más de 100 millones de veces más frío que las profundidades del espacio.
"El estudio de estos átomos hiper-fríos podría reestructurar nuestra comprensión de la materia y la naturaleza fundamental de la gravedad", dijo el científico del proyecto CAL Robert Thompson de JPL. "Los experimentos que haremos con el laboratorio Cold Atom nos darán una visión de la gravedad y de la energía oscura, algunas de las fuerzas más penetrantes del universo".
Cuando los átomos se enfrían a temperaturas extremas, como estarán dentro de CAL, pueden formar un estado distinto de materia conocido como condensado de Bose-Einstein. En este estado, las reglas familiares de la física retroceden y la física cuántica comienza a asumir el control. La materia se puede observar comportándose menos como partículas y más como ondas. Filas de átomos se mueven en concierto entre sí como si estuvieran montando un tejido en movimiento. Estas misteriosas formas de onda nunca se han visto en temperaturas tan bajas como lo que CAL alcanzará.
La NASA nunca antes ha creado o observado los condensados de Bose-Einstein en el espacio. En la Tierra, la atracción de la gravedad hace que los átomos se asienten continuamente hacia el suelo, lo que significa que normalmente sólo son observables por fracciones de segundo.
Pero en la Estación Espacial Internacional, los átomos ultrafrios pueden mantener sus formas onduladas más largas mientras están en caída libre. Eso ofrece a los científicos una ventana más larga para entender la física en su nivel más básico. Thompson estimó que la CAL permitirá que los condensados de Bose-Einstein sean observables por hasta cinco a 10 segundos; el desarrollo futuro de las tecnologías utilizadas en CAL podría permitirles durar cientos de segundos.
Los condensados de Bose-Einstein son un "superfluido", un tipo de fluido con viscosidad cero, donde los átomos se mueven sin fricción como si fueran una sola sustancia sólida.
"Si tuvieras agua superfluida y la hicieras girar en un vaso, giraría para siempre", dijo Anita Sengupta, gerente del proyecto Cold Atom Lab en el JPL. "No hay viscosidad para ralentizar y disipar la energía cinética. Si podemos entender mejor la física de los superfluidos, podemos aprender a usarlos para una transferencia de energía más eficiente".
Cinco equipos científicos planean llevar a cabo experimentos utilizando el laboratorio Cold Atom. Entre ellos está Eric Cornell de la Universidad de Colorado, Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. Cornell es uno de los ganadores del premio Nobel que creó por primera vez los condensados de Bose-Einstein en un laboratorio establecido en 1995.
Los resultados de estos experimentos podrían conducir potencialmente a una serie de tecnologías mejoradas, incluyendo sensores, computadoras cuánticas y relojes atómicos utilizados en la navegación espacial.
Especialmente emocionantes son las aplicaciones relacionadas con la detección de energía oscura, dijo Kamal Oudrhiri, gerente de proyectos adjunto de CAL. Señaló que los modelos actuales de cosmología dividen el universo en aproximadamente 27 por ciento de materia oscura, 68 por ciento de energía oscura y cerca de 5 por ciento de materia ordinaria.
"Esto significa que aún con todas nuestras tecnologías actuales, todavía estamos ciegos para el 95 por ciento del universo", dijo Oudrhiri. "Al igual que una nueva lente en el primer telescopio de Galileo, los átomos fríos ultra sensibles en el Laboratorio del Átomo Frío tienen el potencial de desvelar muchos misterios más allá de las fronteras de la física conocida".
