Dentro de los experimentos salvajes que los físicos harían con límites cero

En física, los avances son raros. Los experimentos son lentos, costosos y a menudo terminan refinando, en lugar de reescribir, nuestra comprensión del universo. Pero ¿y si la única limitación a la ambición científica fuera la imaginación?

Le pedimos a cinco físicos que describieran el tipo de experimento que harían si no tuvieran que preocuparse por presupuestos, limitaciones de ingeniería o realidades políticas. No porque esperemos que algo de esto suceda pronto –aunque en algunos casos, el impulso está cobrando fuerza–, sino porque es revelador ver adónde van sus mentes cuando se eliminan los límites habituales.

Un investigador quiere lanzar radiotelescopios al espacio profundo para explorar la materia oscura con destellos de energía cósmica. Otros sueñan con tipos completamente nuevos de aceleradores de partículas o láseres que superen los límites de lo posible.

Algunos de estos conceptos son técnicamente plausibles. Otros ni siquiera están cerca. Está bien. Todavía señalan las preguntas que mantienen despiertos a los físicos por la noche y el tipo de respuestas que buscarían, si pudieran.

Radiotelescopios en el espacio profundo

Huangyu Xiao, Universidad de Boston y Universidad de Harvard

El experimento de mis sueños consiste en enviar radiotelescopios al espacio profundo y observar rápidas ráfagas de radio (FRB), brillantes destellos de energía de milisegundos de duración procedentes de los confines del cosmos. Los orígenes exactos de los FRB son misteriosos, pero son ideales como herramienta para estudiar la materia oscura de una manera totalmente nueva.

Idealmente, queremos dos radiotelescopios diferentes separados por distancias decenas de veces mayores que la que hay entre el Sol y la Tierra. Los telescopios observarían el mismo FRB y medirían la diferencia cuando lo vean llegar. Cuanto mayor sea la separación entre los telescopios, más significativa será esta diferencia horaria.

Estamos hablando de misiones espaciales muy caras y ambiciosas que probablemente costarán miles de millones de dólares.

Los radiotelescopios del espacio profundo podrían ayudarnos a descubrir la materia oscura al encontrar axiones, partículas hipotéticas de materia oscura. Los axiones se inventaron para resolver un enigma teórico aparte, pero también pueden servir como candidatos a materia oscura.

Una predicción sorprendente de la cosmología de los axiones es que dejan huellas dactilares en la distribución de la materia oscura a pequeña escala. La única evidencia de la materia oscura hasta ahora es su efecto gravitacional a distancias cosmológicas, que es mayor que el de las galaxias individuales. Los axiones crean ondas interesantes en la distribución de la materia oscura a escalas extremadamente pequeñas, como la de nuestro sistema solar, que está mucho más allá del alcance actual. Por tanto, una medición a pequeña escala de la gravedad de la materia oscura será la clave para descubrir su naturaleza.

Un colisionador de muones

Jesse Thaler, Instituto de Tecnología de Massachusetts

Soy un entusiasta de una idea audaz para explorar lo desconocido: un colisionador de muones.

La audacia a menudo ha impulsado el progreso en mi campo de la física de partículas. En 1954, Enrico Fermi imaginó un acelerador de partículas alrededor de todo el planeta, al que llamó Globatron. Pero la tecnología tiene una manera de alcanzar nuestros sueños, y con sólo un anillo de 27 kilómetros, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN alcanzó energías del nivel de Globatron, lo que llevó al descubrimiento del bosón de Higgs en 2012.

El muón es un brillante candidato a máquina de descubrimiento. Los muones son 200 veces más pesados ​​que los electrones, lo que los hace más eficientes para acelerar. Y a diferencia de los protones utilizados en el LHC, los muones son partículas elementales, por lo que su colisión entre sí permitiría explorar energías más nítidas y superiores, lo que potencialmente nos permitiría descubrir partículas más masivas más allá del bosón de Higgs o incluso de la naturaleza de la materia oscura.

Pero hay un problema: los muones son inestables y se desintegran en millonésimas de segundo. En ese abrir y cerrar de ojos, tendríamos que crearlos, contenerlos, acelerarlos cerca de la velocidad de la luz y luego aplastarlos. Afortunadamente, a medida que los muones se mueven más rápido, parecen existir por más tiempo desde nuestra perspectiva, gracias a la teoría especial de la relatividad de Albert Einstein, lo que nos da un poco más de tiempo. Aun así, hacer que todo funcionara requeriría el nivel de audacia de Fermi.

Hace una década, era escéptico de que esto pudiera funcionar alguna vez. Un paso desalentador en el proceso es el “enfriamiento 6D” de una nube difusa de muones en grupos compactos y coherentes. Ante este y otros obstáculos, la comunidad de física de partículas en Estados Unidos abandonó el desarrollo de un colisionador de muones en 2014.

Sin embargo, alrededor de 2020, una serie de innovaciones, incluido un exitoso experimento de enfriamiento de muones y un diseño inteligente para evitar el enfriamiento por completo, comenzaron a cambiar mi opinión. Poco después, los teóricos demostraron el inmenso potencial que tendría un aplastador de muones para desentrañar profundos misterios de la física fundamental, como por ejemplo iluminar potencialmente la naturaleza de la materia oscura. Rápidamente se reunió impulso para reiniciar el desarrollo de un colisionador de muones. En 2023, coescribí un informe oficial recomendando que siguiéramos con el proyecto del colisionador de muones. Ahora, esa recomendación ha sido respaldada por el panel de las Academias Nacionales de Estados Unidos.

Construir un dispositivo así no será fácil y debemos equilibrar nuestras aspiraciones de cielo azul con planes concretos para otros experimentos fronterizos, como una "fábrica de Higgs". Sin embargo, me siento cada vez más atraído por un colisionador de muones que, según parece, encajaría perfectamente en el espacio del Fermilab, el principal laboratorio de física de partículas de Estados Unidos, que lleva el nombre del propio Fermi.

Láser de rayos gamma

Thorsten Schumm, Universidad Técnica de Viena

Cuando era niño, intenté construir mi propio sable láser usando papel de aluminio para dirigir la luz de una antorcha en línea recta. Lo admito, el resultado fue, en el mejor de los casos, cuestionable.

Más tarde, cuando me convertí en físico atómico, aprendí sobre la física que habría ayudado a mi trabajo con el sable láser. Un átomo puede almacenar energía promoviendo un electrón a un nivel cuántico superior y devolverla liberando un fotón. En casos especiales, este fotón puede ser “entrenado” para que vaya en una dirección muy específica, en un color específico, y se lleve consigo a otros fotones, en una especie de avalancha de luz. En última instancia, lo que surge es un rayo monocromático muy dirigido, o un rayo láser.

Mi sueño es construir un láser gamma, algo que nunca antes se haya construido. Emitiría un haz dirigido de rayos gamma monocromáticos, la parte más energética del espectro electromagnético. Un láser gamma de este tipo funcionaría con la emisión estimulada de neutrones o protones excitados en un núcleo atómico, en lugar de los electrones que lo rodean. Podría ayudarnos a controlar la constante de estructura fina, una medida de la fuerza del electromagnetismo entre partículas. El tamaño de esta constante es uno de los mayores misterios de la física.

Si bien conceptualmente es simple, hacer realidad este sueño es un desafío tremendo, ya que las excitaciones cuánticas nucleares ocurren a energías mucho más altas que las de los electrones. Ningún espejo o lente puede doblar o enfocar los rayos gamma; simplemente viajan en línea recta.

Para solucionar esto, trabajamos con un núcleo muy especial, llamado Torio-229. De los aproximadamente 3.500 isótopos conocidos, tiene el estado excitado de un neutrón con la energía más baja, sólo un poco más alta que la energía almacenada en los electrones excitados de los átomos. Entonces, podemos usar herramientas estándar de la física atómica para jugar con ello.

El torio-229 es extremadamente raro; Sólo hay unos pocos gramos disponibles en este planeta. Tiene una vida útil finita de unos 8.000 años, lo que lo hace ligeramente radiactivo. En definitiva, es difícil conseguirlo y trabajar con él. En los últimos 15 años hemos aprendido a manejarlo: ahora podemos fusionarlo en cristales artificiales para poder utilizarlo en experimentos ópticos.

En 2023, logramos por primera vez promover el neutrón más externo del Torio-229 al estado excitado y detectar el rayo gamma que se libera cuando regresa a su estado fundamental. Para excitar el neutrón, es necesario exponer el núcleo a una señal periódica de una frecuencia muy alta y precisa: 2 millones de billones de oscilaciones por segundo. Contar estas oscilaciones crea una especie de “reloj nuclear”, que implementamos en 2024.

Lo que falta para realizar el láser de rayos gamma es desencadenar el efecto de avalancha en la emisión gamma estimulada de núcleos excitados. Para ello, planeamos combinar los cristales de torio con resonadores ópticos, curvando los rayos gamma en un haz enfocado. Luego, podemos proceder a núcleos con estados excitados de mayor energía.

mentes de penrose

Abhishek Banerjee, Universidad de Harvard

Las computadoras cuánticas están al borde de una crisis de escala. La mayor parte de los dispositivos actuales pueden manipular alrededor de 100 qubits, apenas lo suficiente para ejecutar incluso problemas simples. Pero para alcanzar el poder necesario para lograr avances prácticos, necesitaremos llegar a millones. Y ahí es donde las cosas se ponen difíciles.

La mayoría de los sistemas dependen de qubits superconductores que se mantienen justo por encima del cero absoluto. Pero también necesitan hablar con chips clásicos que funcionan a temperatura ambiente. El transporte de información de un lado a otro a través de esta pronunciada división térmica ralentiza todo, un problema que empeora a medida que crecemos.

Este es el problema que he estado tratando de resolver.

Trabajo en nuevo hardware superconductor que permite que componentes cuánticos y clásicos convivan uno al lado del otro, en el mismo chip. En lugar de hacer rebotar datos entre zonas frías y calientes, esta configuración las reúne en lo que se llama una arquitectura híbrida cuántica-clásica. Es más estricto, más rápido, más eficiente y finalmente podría permitirnos escalar.

Pero mientras construía estos sistemas, comencé a preguntarme si podría estar surgiendo algo extraño.

He estado trabajando en esto durante años. Pero hace poco, mientras describía la idea a un compañero de viaje en un vuelo, algo hizo clic. La arquitectura que estaba esbozando se parecía a una teoría que había leído una vez durante mi doctorado, en un libro del físico Roger Penrose.

Penrose tuvo una idea audaz: que algo misterioso que llamamos "mente" podría surgir en el límite donde la incertidumbre cuántica se encuentra con la realidad clásica. Especuló que las neuronas podrían explotar los efectos cuánticos dentro de estructuras biológicas llamadas microtúbulos, una afirmación que aún no ha sido probada.

Pero nuestros cerebros son ruidosos y cálidos. Nuestros chips superconductores son fríos, limpios y silenciosos. Podrían ser el escenario perfecto para explorar los límites que describió Penrose.

¿Podría una inteligencia artificial clásica envuelta alrededor de un núcleo cuántico mostrar un comportamiento "similar a una mente"? Incluso si no llegamos a la conciencia, estos sistemas podrían razonar de nuevas maneras, combinando la imprevisibilidad con la lógica. Pueden convertirse en potentes motores de razonamiento, capaces de lograr lo que la IA de silicio, que consume mucha energía, no es capaz de lograr.

No es ciencia ficción. Muchas de las piezas ya existen. Los qubits superconductores, que ganaron el Premio Nobel de Física de este año, están bien desarrollados y ahora tenemos circuitos lógicos ultraeficientes que trabajan con ellos directamente.

Pero aún queda un largo camino por recorrer. Tendremos que resolver problemas de ingeniería, desde límites de memoria en ambientes fríos hasta partículas perdidas que pueden alterar el sistema. Pero estos no son éxitos espectaculares. El desafío más profundo es la escala. Así como las redes neuronales existieron durante décadas antes de que aparecieran en la IA de acción inteligente, es posible que estas máquinas híbridas necesiten crecer antes de que veamos de qué son realmente capaces.

Si llegamos allí, podrían hacer más que alimentar la próxima generación de computadoras cuánticas. Podrían ayudarnos a comprender cómo funciona la inteligencia y qué constituye una mente.

Un colisionador alrededor de la luna

Arttu Rajantie, Imperial College de Londres

¿Por qué el universo está compuesto abrumadoramente de materia y no de antimateria? El experimento de mis sueños, un colisionador de partículas subterráneo que rodea la circunferencia de la Luna, podría responder a esta pregunta.

En 1789, Antoine Lavoisier formuló la ley de conservación de la materia, una piedra angular de la química que establece que la materia no se puede crear ni destruir. Hoy en día, en la física de partículas, este principio sigue siendo válido. El número total de bariones (protones y neutrones) menos sus contrapartes de antimateria, conocidos como antibariones, permanece sin cambios en todas las reacciones que hemos observado.

Había cantidades iguales de materia y antimateria en el universo primitivo. Este no es el caso hoy en día, pero nunca hemos visto un proceso que produzca más materia que antimateria. El modelo estándar de física de partículas predice que esto puede suceder mediante un efecto conocido como túnel cuántico. Los túneles cuánticos permiten que los campos se deslicen entre diferentes estados que están separados por una barrera de energía, un poco como una pelota que atraviesa una colina en lugar de pasar por encima de ella. En la teoría cuántica de campos, se cree que tales procesos, que se describen mediante objetos llamados instantones, fueron abundantes en el universo primitivo y caliente y habrían permitido que el número bariónico cambiara en las reacciones. Pero hoy en día son increíblemente raros, por lo que nunca los hemos visto.

Mi colega David Ho y yo estábamos pensando en cómo crear las condiciones que nos dieran la oportunidad de vislumbrar estos procesos instantáneos. Descubrimos que un campo magnético fuerte aceleraría drásticamente estas reacciones, pero los campos que necesitamos son cientos de veces más fuertes de los que puede producir el LHC. Fue entonces cuando leímos sobre la idea de un colisionador que rodeara la luna.

El concepto fue propuesto por primera vez por los físicos del CERN James Beacham y Frank Zimmerman. La pareja explicó cómo se podría lograr una hazaña tan grande con recursos lunares y energía solar utilizando la tecnología actual. Ho y yo nos dimos cuenta de que las colisiones de núcleos de elementos pesados ​​(como el plomo) en este colisionador de 11.000 kilómetros podrían alcanzar las intensidades de campo que necesitamos para ver estos procesos instantáneos.

Por supuesto, un colisionador tan masivo podría descubrir todo tipo de nuevas partículas o fenómenos. Pero para mí, lo más destacable es que, con un colisionador de partículas alrededor de la Luna, creando procesos instantáneos, podríamos destruir la materia o crearla a partir de energía pura. Eso mostraría cómo se creó la materia de la que todos estamos hechos en el universo primitivo y finalmente rompería la ley de dos siglos de antigüedad de Lavoisier.

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