Melodía cuántica: Físicos del MIT nos acercan a los sonidos del origen del Universo

En el corazón de las estrellas de neutrones se produce un extraño estado de la naturaleza llamado superfluido. Se cree que ese estado de superfluidez se produjo también en la sopa primordial que dio forma al Universo.

El superfluido, descubierto en 1937, es un estado a través del cual la materia discurre a través de un entorno sin encontrar resistencia, ya se trate de un gas, líquido o plasma: es un fenómeno físico que tiene lugar a muy bajas temperaturas, cerca del cero absoluto, límite en el que cesa toda actividad.

La superfluidez que ocurre en el universo nunca ha podido escucharse: aunque el año pasado se creó un micrófono cuántico, capaz de escuchar las partículas individuales del sonido que están presentes en una onda sonora, ese micrófono no se puede situar en el interior de una estrella de neutrones.

Escuchar lo que ocurre en el interior de una estrella de neutrones o en el universo primordial es físicamente imposible, pero los científicos del MIT han ideado una forma de conseguirlo. Suena así.

Superfluido de laboratorio

Han creado en laboratorio un superfluido similar al que discurre en el interior de una estrella de neutrones: luego agitaron esa sopa cósmica artificial y pudieron escuchar cómo se comporta el sonido en su interior.

No es exactamente lo mismo, advierten los investigadores, pero se aproxima mucho a lo que podríamos escuchar si fuéramos capaces de introducir un micrófono dentro de una estrella de neutrones. “Es como si pudiéramos acercar nuestro oído sin ser desgarrados por la gravedad”, explica uno de los autores, Martin Zwierlein.

La grabación es producto de un glissando (adorno musical) de las ondas sonoras que el equipo envió a través de un gas cuidadosamente controlado de partículas elementales conocidas como fermiones. Los tonos son las frecuencias en las que el gas resuena como las notas de una guitarra.

Para crear ese fluido perfecto, los investigadores generaron un gas de fermiones que interactúan fuertemente: los fermiones son partículas elementales, como electrones, protones y neutrones, que se consideran los componentes básicos de toda la materia.

Agitación cuántica

Los fermiones prefieren mantenerse separados unos de otros. Pero cuando se les agita fuertemente, pueden comportarse como un fluido perfecto, con muy baja viscosidad o resistencia.

Los investigadores analizaron miles de ondas sonoras que viajan a través de este gas para medir la «difusión del sonido», o la rapidez con que el sonido se disipa en el gas, lo que está relacionado directamente con la viscosidad o fricción interna de un material (fluidez).

Para su sorpresa, descubrieron que la difusión del sonido dentro del superfluido era tan baja que podía ser descrita por una cantidad «cuántica» de fricción: significa que la fuerza de fricción que se opone al deslizamiento es mínima dentro de la masa de los fermiones individuales agitados dentro del gas.

Este valor fundamental obtenido en el experimento confirmó que el gas fermión que interactúa fuertemente se comporta como un fluido perfecto y que es de naturaleza universal.

Pioneros del sonido cuántico

Los resultados, publicados en la revista Science, demuestran que los científicos han podido medir por primera vez la difusión del sonido en un fluido perfecto creado en un laboratorio: refleja el comportamiento de la materia en el interior de una estrella de neutrones y en el plasma del universo primordial.

Eso significa que, utilizando el fluido perfecto creado por el MIT, los investigadores pueden reproducir parte de lo que sucede dentro de una estrella de neutrones y penetrar en el mecanismo interno de estos cuerpos celestes, sin necesidad de asomarse físicamente al interior de esos procesos cósmicos.

Los investigadores señalan que, además de usar los resultados para estimar la fricción cuántica dentro de las estrellas de neutrones, los resultados pueden ser útiles para comprender cómo se pueden hacer ciertos materiales para exhibir un flujo superconductor perfecto.

“Este trabajo se conecta directamente a la resistencia de los materiales”, dice Zwierlein. “Habiendo descubierto cuál es la resistencia más baja que podría tener un gas, nos dice lo que puede suceder con los electrones en los materiales y cómo se pueden fabricar materiales en los que los electrones fluyan de manera perfecta. Eso es emocionante.»

Con información de MIT News y Agencia T21