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Un nuevo tipo de materia oscura podría formar átomos obscuros

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La misteriosa materia oscura, que es responsable de la producción de la materia ordinaria que existe en el universo, podría estar compuesta, en parte, por átomos, protones y electrones invisibles y casi intangibles.

La materia oscura es una sustancia invisible que representa el 23% de toda la materia que hay en el universo. Los científicos pueden inferir la existencia de esta materia gracias a que interfiere, debido a la fuerza de gravedad que produce, en el movimiento de estrellas y galaxias.

La mayoría de los investigadores piensan que la materia oscura está compuesta por un nuevo tipo de partículas que interactúa muy débilmente con todas las fuerzas conocidas del universo.

“No hay una buena razón para asumir que toda la materia oscura en el universo está compuesta por un solo tipo de partícula”, afirmó el autor del estudio, Andrey Katz, de la Universidad de Harvard.

Estas nuevas partículas de materia oscura estarían formadas, esencialmente, por pesados y “oscuros protones” y de livianos “electrones oscuros”. Estos podrían interactuar unos con otros para formar “átomos obscuros” que utilizarían “fotones obscuros” a través de una especie de “electromagnetismo obscuro”. El proceso sería el mismo que sucede en la vida diaria donde los electrones y protones interactúan a través de fotones gracias al electromagnetismo convencional y en el que también se forman átomos de los que está compuesta toda la materia visible (incluyéndonos a nosotros mismos).

En este sentido, si los “átomos obscuros” son posibles, podrían interactuar unos con otros para construir una llamada “química oscura” que sería opuesta a los procesos químicos ordinarios.

“El mundo obscuro, incluso, podría ser tan diverso e interesante como el mundo visible”, escribieron Katz y sus colegas en la revista Physical Review Letters.

La interacción entre “protones oscuros” y “electrones oscuros” podría hacer que pierdan energía a lo largo del tiempo. Esto haría que redujeran su velocidad lo suficiente para agruparse en discos planos alrededor de las galaxias, tal y como lo hace la materia ordinaria. Aparentemente, y en contraste, la mayoría de la materia oscura forma halos esféricos alrededor de las galaxias, estrellas y planetas.

Este concepto significa que las galaxias tendrían dos discos: uno hecho por átomos regulares y el otro formado por átomos obscuros. A esto los investigadores le llaman el modelo de doble disco de materia oscura y la idea ha comenzado popularizarse entre la comunidad científica.

“El modelo de doble disco de materia oscura es un nuevo giro en un concepto interesante: y es que la física de la materia oscura podría ser tan complicado e intrigante como lo es la física que rige a la materia ordinaria”, comentó Sean Carroll quien trabaja como físico teórico en el Instituto de Tecnología de California, y quien no forma parte del equipo de Katz.

De hecho, Caroll y sus colegas habían sugerido, antes de que el nuevo modelo fuera dado a conocer, que podría existir “una fuerza oscura que fuera muy similar al electromagnetismo ordinario con cargas positivas y negativas”. “Este modelo implicaría radiación oscura, campos electromagnético oscuros y una serie de otros fenómenos interesantes”, añade.

Por otro lado, los efectos gravitacionales de un disco obscuro de átomos en estrellas y galaxias podría ser detectado, eventualmente, a través del Observatorio Espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea, que tiene programado su lanzamiento el próximo octubre de 2013 y cuyo objetivo será el de crear un mapa del movimiento que experimentan aproximadamente mil millones de estrellas.

Además, desde que se propusiera que esta nueva forma de materia oscura pudiera moverse de forma más lenta que la materia ordinaria, se piensa que es más susceptible de ser capturada por la Tierra, por el Sol o por otro cuerpos pesados. Y la aniquilación de esta materia oscura que fuera capturada por el Sol podría resultar en fluctuaciones de neutrinos, que pueden ser medidos directamente a través del Observatorio de Neutrinos IceCube que actualmente se encuentra en funcionamiento en el Polo Sur.

Adicionalmente, los electrones y protones oscuros, que podrían tener también su contraparte de antimateria (anti-electrones oscuros y anti-protones oscuros), podrían chocar unos con otros (electrones con anti electrones, por ejemplo) y producir rayos gamma que es la forma más energética de luz. Además, los átomos oscuros podrían formar nubes de plasma que, en su momento, pudieron haber contribuido en la formación del universo temprano y que también pudo haber tenido efectos en la la estructura cósmica a gran escala que hoy podemos ver.

“Las teorías de la materia oscura, sumado con las nuevas fuerzas, les proporcionan a los teóricos de un maravilloso campo de juego para que puedan desarrollar nuevos modelos teóricos de física de partículas”, dijo Carroll.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Space.com

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Una nueva técnica permite crear fotones individuales para el procesamiento de información cuántica

Aquí aparecen el estudiante graduado de la Universidad de Georgia, Yaroslav Dudin y el profesor Alex Kuzmich, quienes ajustan la óptica de los instrumentos del laboratorio como parte de la investigación en la producción de fotones simples que se utilizan en el procesamiento de información cuántica y el estudio de ciertos sistemas físicos /Fuente: www,physorg.com

Utilizando láseres para excitar un sólo átomo de una nube de gas de rubidio ultracongelado, físicos han desarrollado una nueva manera rápida y eficiente para crear fotones simples para usos potenciales en el procesamiento óptico de información cuántica y en el estudio de dinámicas y desórdenes en ciertos sistemas físicos.

La técnica toma ventaja de las propiedades únicas de los átomos que tienen uno o más electrones excitados hacia una condición de casi ionización llamada el estado Rydberg. Los átomos en este estado de alta excitación con un numero cuántico princiapal mayor que 70, tienen propiedades magnéticas “exageradas” e interactúan fuertemente entre sí. Esto permite a un átomo de Rydberg bloquear la formación de átomos excitados adicionales en un área de 10 a 20 micrones.

Ese átomo individual de Rydberg puede pasar entonces a convertirse en un fotón, asegurándose que, en promedio, sólamente un fotón es producido por una nube de rubidio que contiene cientos de densos paquetes de átomos. Producir de manera fiable un fotón simple con propiedades bien conocidas es importante para muchas áreas de investigación, incluyendo los sistemas de información cuántica.

Los detalles sobre ésta nueva técnica han aparecido en la revista Science Express, que es una publicación de artículos en línea antes de que aparezcan impresos en Science. La investigación ha sido apoyada por la Fundación Nacional para la Ciencia y por la Oficina de la Fuerza Aérea para la Investigación Científica en los Estados Unidos.

“Hemos sido capaces de convertir excitaciones de Rydberg en fotones simples con una eficencia sustancial, que nos permite preparar el estado que queremos en cualquier momento”, explicó Alex Kuzmick, profesor de la Escuela de Física en el Instituto de Tecnología de Georgia. “Éste nuevo sistema ofrece una fértil área para investigar el entrelazamiento de los átomos, el giro de las ondas y de los fotones. Esperamos que éste será un primer para hacer mucho más por éste sistema”.

Kuzmich y el co-autor, Yaroslav Dudin, han estado estudiando sistemas de información cuántica que se basan en mapear información de los átomos en los pares de fotones entrelazados. Sin embargo, la técnica de dispersión Raman o de Efecto Raman que han estado utilizando para crear a los fotones ha resultado ineficiente e incapaz de proporcionar el número de fotones entrelazados que se necesitan para crear sistemas complejos.

“Ésta nueva fuente de fotones es alrededor de 1000 veces más rápida que los sistemas existentes”, afirmó Dudin. “Los números son muy buenos para nuestra primera implementación experimental”.

Para crear un átomo de Rydberg, los investigadores utilizaron láser para iluminar un denso ensamble de cientos de átomos de Rubidio-87 que han sido enfriados a través del láser y confinados en una red óptica. La iluminación impulsó a un sólo átomo de toda la nube dentro de un estado de Rydberg. Los átomos excitados al estado de Rydberg interactúan de manera muy fuerte con otros átomos en el mismo estado de Rydberg y, bajo ciertas condiciones, modifican los niveles atómicos de energía y previenen a más de un átomo de ser transferido dentro de este estado: un fenómeno conocido como el bloqueo de Rydberg.

Los átomos de Rydberg muestran ésta fuerte interacción entre un rango de 10 y 20 micrones. Al limitar su ensamble inicial de átomos de rubido a apróximadamente esa distancia, Kuzmich y Dudin tuvieron la posibilidad de asegurarse de que no más de un átomo de éste tipo podía formarse.

“El átomo excitado de Rydberg necesita espacio alrededor de él y de esta manera no permite a ningún otro átomo de Rydberg acercarse”, explicó Dudin. “Nuestro ensamble tuvo un volúmen limitado, por lo que no pudimos ajustar más de uno de éstos átomos en el espacio disponible”.

Kuzmich y Dudin han estado utilizando átomos de Rydberg con un número cuántico principal de apróximadamente 100. Éstos átomos excitados son más largos -tanto como la mitad de un micrón de diámetro- que los átomos de rubidio que se encuentran normalmente y que poseen un número cuántico de 5 y un diámetro de unos pocos Angstroms.

Una vez que un átomo excitado se ha creado, los científicos utilizan campos de láser adicionales con la finalidad de convertir esa excitación en un campo de luz cuántica que tiene las mismas propiedades estadísticas que la excitación. Debido a que el campo fue produido por un sólo átomo de Rydberg, éste sólamente contiene un fotón, el cual puede ser utilizado en una gran variedad de protocolos.

Para el equipo de la Universidad de Georgia, el siguiente paso podría ser desarrollar una puerta cuántica entre los campos de luz. De hecho, la puerta cuántica de fotones ha sido propuesta y perseguida por muchos equipos de investigación, y en todas ellas insatisfactoriamente.

“Si esto pudiera realizarse, tales puertas cuánticas nos permitirían crear de forma determinista, complejos estados entrelazados de átomos y luz, los cuales agregarían valiosas capacidades a los campos de las redes y la computación cuánticas”, afirmó Kuzmich. “Nuestros trabajos apuntan hacia esa dirección”.

Pero más allá de los avances que ésta investigación podría traer al campo de la física cuántica, los nuevos sistemas de fotones individuales también podrían ayudar a los científicos a investigar otras áreas de la física.

“Nuestros resultados también son prometedores para los estudios de dinámicas y desórdenes en muchos sistemas con interacciones sintonizables”, explica Kuzmich. “En particular, la ruptura de la simetría de traslación, transiciones de fase, entre otras tantas, podrían ser investigadas en el futuro utilizando la fuerza de acoplamiento de las excitaciones de Rydberg de un gas atómico”.

TRADUCCIÓN Y EDICIÓN de Julio García.

FUENTE: Physorg.com

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Átomos de antimateria podrían dar pistas sobre qué es la antigravedad

La antimateria puede ser creada en el laboratorio, pero lo que resulta complejo es mantenerla aislada de la materia ordinaria.

La pregunta de si la materia ordinarial y su contraparte la antimateria pueden producir antigravedad, podrían ser contestadas gracias a una nueva investigación.

La materia ordinaria atrae a toda la materia en el Universo, pero sigue siendo poco claro si la antimateria atrae o repele a la materia.

En este sentido, un equipo de investigadores han dado a conocer a través de la revista Physics Review Letters, que han preparado pares estables de electrones y pares de sus antipartículas: los positrones. Un haz de estos pares pueden ser utilizados para resolver, finalmente, el rompecabezas de la antigravedad.

Hay que señalar que, para cada partícula en física, hay una antipartícula asociada que posee la misma masa, pero donde la carga eléctrica es opuesta.

Las teorías actuales sostienen que, en el principio del Universo, materia y antimateria fueron creadas en la misma proporción. Cuando ambas se juntan, se aniquilan mutuamente produciendo destellos energéticos de luz.

Sin embargo, las interrogantes que se siguen planteando  los científicos siguen siendo: ¿por qué el universo ha llegado a existir y por qué el universo visible está formado por materia y no por antimateria?

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Un equipo en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, también están "atrapando" átomos de antimateria con la finalidad de estudiarlos.

Una de las características que pueden diferenciar a la materia de la antimateria es su comportamiento gravitacional. La mayoría de los científicos piensan que la antimateria será atraída hacia la materia ordinaria, pero hay otros que piensan lo contrario: que en realidad materia y antimateria se repelen. Ambos puntos de vista tienen implicaciones para responder a la pregunta de por qué el Universo no desapareció en un gran destello de luz luego de formarse. También podría ayudar a explicar por qué el Universo se expande de forma acelerada.

Es simplemente imposible -por ahora- probar la idea. Y decimos que por ahora porque científicos de la Universidad de California en Riverside, Estados Unidos, se están acercando a abordar la cuestión de una vez por todas, y para ello han creado pares de electrones y positrones que están en órbitas estables una alrededor de la otra, generando así partículas llamadas positronios.

Las parejas de electrones y positrones se mantienen unidas gracias a los constantes choques y “destrucciones” que experimentan, mediante un cuidadoso vertido de energía dentro de ellos para crear así lo que se conoce como Estados de Rydberg.

Y al igual que las líneas que corren a lo largo de una pista de automóviles, las partículas se pueden mover dentro de diferentes órbitas una alrededor de la otra si alcanzan energías más altas, y estos átomos positrónicos de Rydberg pasan entonces a órbitas de mayor energía. La duración en que las partículas saltan de una órbita a otra se calcula que es de unas tres mil millonésimas de segundo. Sin embargo, el equipo espera extender el método con la finalidad de que las partículas alcancen unas pocas milésimas de segundo (a menor velocidad se podría mejorar el análisis del fenómeno). Para lograrlo están preparando ya un nuevo gas de átomos artificales.

 Traducción y edición de Julio García.

Fuente: www.bbc.co.uk

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Investigadores de IBM logran almacenar información en solo 12 átomos

Los grupos de átomos fueron contruídos a partir de un microscópio de efecto túnel.

Los grupos de átomos fueron contruídos a partir de un microscópio de efecto túnel.

Investigadores de IBM han logrado guardar en 12 átomos un solo bit de información. Actualmente guardar un sólo bit de información implica utilzar un millón de átomos para guardarlos en un disco duro moderno, han dicho los investigadores de la empresa, de tal manera que ellos creen que éste es el más pequeño bit jamás guardado.

La técnica abre la posibilidad de producir nuevas formas de memorias magnéticas que puedan sustituir o mejorar a las actuales y a los discos duros de estado sólido.

En este sentido, “apróximadamente cada dos años los discos duros se vuelven más densos y aumentan su capacidad”, ha dicho a la BBC Sebastian Loth, uno de los científicos que en encabezan el estudio.

“La pregunta obvia que hay que hacerse es por cuánto tiempo podemos seguir adelante, ya que los límites físicos fundamentales se encuentra en el mundo de los átomos”.

“La aproximación que nosotros utilizamos es la de ir a los límites y revisar si nosotros podemos guardar información en sólo un átomo, y si no es en un átomo: ¿cuántos tendríamos que utilizar?”, ha dicho. Por debajo de los 12 átomos, los investigadores encontraron que los bits -de manera aleatoria- perdían información y entonces comenzaban a manifestarse efectos cuánticos. Un bit tiene un valor de 0 y 1 y es la forma más básica de información en computación.

“Nosotros seguimos construyendo largas estructuras hasta que salimos de la mecánica cuántica y pasamos al almacenamiento clásico de datos, alcanzando el límite de los 12 átomos”. El grupo de átomos, que fueron mantenidos a muy bajas temperaturas, se organizaron utilizando un microscopio de efecto túnel. Subsecuentemente, los investigadores fueron capaces de hacer 1 byte hecho de 8 de los 12 átomos.

Por otor lado, lo que ha sido central para la investigación es el uso de diferentes materiales con propiedades magnéticas diferentes. De hecho, los campos magnéticos de bits que se forman a partir de materiales ferromagnéticos convencionales, pueden afectar bits vecinos si ellos están comprimidos muy cerca. “En el almacenamiento convencional de datos, la información es almacenada en material ferromagnético, ha dicho Sebastian Loth quien trabaja en el Centro Científico de Láser de Electrones Libres en Alemania.

Loth cree que incrementando el número de átomos entre 150 y 200, los bits pueden volverse estables a una temperatura normal. Esto abre la posibilidad para más aplicaciones prácticas.

“Esto es ahora un reto tecnológico para averiguar sobre nuevas técnicas de manufactura”, ha dicho.

Traducción de Julio García.

Fuente: www.bbc.co.uk

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¿Qué es el entrelazamiento cuántico? una aproximación

Representación de fenómenos cuánticos /Fuente: http://www.inquietudes.wordpress.com

por Julio García.

Uno de los fenómenos más extraños de la realidad física es el llamado entrelazamiento cuántico, concepto del que seguramente han escuchado hablar en programas de televisión, en documentales serios y no tan serios, y a veces hasta en shows de tarot y esoterismo, estos últimos, evidentemente, sin mucha credibilidad.

La noción del entrelazamiento cuántico es una idea nada nueva que se remonta a principio del siglo XX, a 1900, cuando el físico alemán Max Planck, considerado el padre de la teoría cuántica, propuso que no podemos hablar de una cantidad infinita de energía, sino que esta se transmite en pequeñas cantidades o paquetes llamados cuantos. En 1905, Albert Einstein, basándose en los experimentos de otro gran físico, Philipp Lenard, sobre el efecto fotoeléctrico, propuso que las ondas de luz se pueden propagar como ondas y como partículas al mismo tiempo. De hecho, propuso al fotón como la partícula portadora de la luz.

Ahora bien: el término de entrelazamiento cuántico fue introducido por Einstein, Podolsky y Rosen en 1935 (paradoja EPR), y en términos llanos puede describirse como la posibilidad de que dos objetos que se encuentran físicamente separados, inclusive por millones y millones de kilómetros, se pueden comunicar entre sí. En otras palabras, y por increíble que esto pueda parecer al sentido común, dos objetos pueden compartir la misma información y alterar su estado si uno de los dos objetos es afectado. Hay que aclarar que estos experimentos se realizan hoy en día con fotones de luz -antes se hacían con electrones- que nacen de una misma fuente (pareciera como si esta fuente determinara el tipo de información y movimiento que un par de fotones tendría). Y tal vez lo más impresionante de todo es que el intercambio de información entre las partículas se transmite a la velocidad de la luz: ¡ a 300,000 km/s !, por que, recordemos, la información también es una forma de energía, o bien requiere de esta para poderse transportar de un sitio a otro.

Por otra parte, el entrelazamiento cuántico está ligado a su vez con otro gran concepto de la mecánica cuántica: el de la incertidumbre (propuesto por Werner Heisenberg a mediados del siglo XX), mediante el cual se afirma, y se demuestra, que no podemos medir al mismo tiempo la velocidad y la posición de una partícula en un instante dado, es decir, que cuando medimos la posición, la velocidad de esa partícula se cancela, o viceversa, por tanto, una de las características fundamentales del universo cuántico, del reino de lo subatómico, es que nunca podemos saber con certeza en donde están los objetos, porque el hecho de medir o de observar se traduce, paradójicamente, en lo inmedible e inobservable, en lo no localizable.

Sin embargo, todavía queda mucho por aprender acerca del entrelazamiento cuántico y en general de la mecánica cuántica (que aún sigue siendo una teoría), aunque algunos expertos auguran que de aplicarse a la vida cotidiana, el entrelazamiento podría crear una revolución que se concretaría en situaciones que hoy pertenecen a la ciencia ficción tales como la computación cuántica, la criptografía cuántica y la teletransportación.

A continuación pueden ver un video donde se explica de manera muy didáctica que es el entrelazamiento cuántico y algunos otros conceptos fundamentales para entender un poco mejor la mecánica cuántica.