Un análogo del mecanismo de Higgs en un gas de átomos de rubidio ultrafríos atrapados en una red óptica

La rotura espontánea de la simetría juega un papel clave en nuestra compresión de la Naturaleza. En teorías cuánticas de campos da lugar a la aparición de bosones de Higgs con masa. Un superfluido neutro bidimensional puede presentar análogos al bosón de Higgs durante la transición de fase cuántica que le lleva a una fase aislante de tipo Mott. Manuel Endres et al. han demostrado que este sistema físico se comporta como una teoría cuántica de campos (relavista) bidimensional. Este tipo de sistemas permite reproducir en laboratorio un fenómeno físico que se observó cuando el universo tenía solo una billonésima de segundo de existencia; las analogías físicas siempre han sido claves para entender muchos fenómenos cuyo estudio directo está fuera de nuestro alcance. En este sentido, el futuro de este trabajo es muy prometedor. El artículo técnico es Manuel Endres, Takeshi Fukuhara, David Pekker, Marc Cheneau, Peter Schauβ, Christian Gross, Eugene Demler, Stefan Kuhr & Immanuel Bloch, “The ‘Higgs’ amplitude mode at the two-dimensional superfluid/Mott insulator transition,” Nature 487: 454–458, 26 July 2012.

En un análogo no relativista, un modo Higgs es una oscilación en amplitud de un campo cuántico que aparece como excitación colectiva en un sistema cuántico multicuerpo como resultado de la rotura espontánea de una simetría continua. Cerca del punto cuántico crítico, la física de estos sistemas se describe como una teoría crítica efectiva invariante Lorentz. La versión mínima de dicha teoría está descrita por un parámetro de orden complejo Ψ = |Ψ|eiΦ cerca de una transición de fase cuántica entre una fase ordenada (|Ψ| > 0) y otra desordenada (|Ψ| = 0). En la fase ordenada, la densidad de energía clásica tiene forma de “sombrero mejicano” y el parámetro de orden tiene un valor mayor que cero en el mínimo del potencial. Su fase, Φ, ha adquirido un valor gracias a una rotura espontánea de la simetría U(1). El desarrollo local del campo alrededor del estado fundamental conduce a dos tipos de modos (excitaciones cuánticas), un modo de Nambu–Goldstone y otro de Higgs, que están relacionados con la fase y la amplitud de las variaciones de Ψ, respectivamente (ver la figura que abre esta entrada). El modo en amplitud se diferencia del modo en fase porque tiene un “salto” (gap), es decir, una masa.

Los autores utilizan un gas átomos de 87Rb (que son bosones) ultrafríos atrapados en una red óptica. Esos sistemas se rigen por el modelo de Bose–Hubbard, parametrizado por la amplitud J del efecto túnel entre los pozos ópticos y la energía de interacción interatómica U; el parámetro de acoplamiento es jJ/U y puede ser fácilmente controlado mediante el cambio en la profundidad de los pozos de la red óptica. La transición de fase cuántica entre superfluido (fase ordenada) y aislante Mott (fase desordenada) ocurre a un valor crítico del acomplamiento jc, como se muestra en la figura de arriba los resultados experimentales están en buen acuerdo con las predicciones de la teoría.

¿Se ha descubierto algo nuevo en este trabajo técnico? Por ahora es pronto para buscar grandes sorpresas en este trabajo que se ha publicado en Nature por lograr algo que antes no se había logrado. Habrá que esperar a su futuro estudio en detalle. Aún así, creo importante destacar que se han observado excitaciones discretas de los modos de Higgs en este sistema confinado similares a las que se esperan en el bosón de Higgs cuando se consideran dimensiones extra compactas en el espaciotiempo.