El equipo de investigadores parisino llevó a cabo la medición más precisa de la constante de estructura fina hasta la fecha, quitando nuestra esperanza de la existencia de una interacción desconocida en la naturaleza.
La constante de estructura fina se introdujo en 1916 para cuantificar el espacio entre dos líneas en el espectro de colores emitidos por ciertos átomos. En la foto, las frecuencias densamente ubicadas son visibles a través del resonador de Fabry-Perot.
Entre las constantes fundamentales, la más famosa es la velocidad de la luz c. Sin embargo, su valor numérico no nos dice nada sobre la naturaleza, depende de las unidades de medida, ya sean metros por segundo o millas por hora. Por otro lado, la constante de estructura fina no tiene dimensión. Este es un gran número que tiene un impacto tremendo en el universo. Richard Feynman escribió que este es "un número mágico que encontramos sin ningún entendimiento". Paul Dirac consideró el origen de este número "el más fundamental de los problemas no resueltos de la física".
El valor de la constante de estructura fina, denotado por la letra griega α, está muy cerca de la fracción 1/137. A menudo se encuentra en ecuaciones que describen el comportamiento de la luz y la materia. “En arquitectura, por ejemplo, la proporción áurea es común”, dijo Eric Cornell , físico de la Universidad de Colorado y del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y premio Nobel. “Y en la física de la materia de baja energía (átomos, moléculas, química, biología) hay una proporción constante de tamaños de mayor a menor. Y estas proporciones a menudo resultan ser grados de estructura fina constante ".
La constante es ubicua porque describe la fuerza de la fuerza electromagnética que actúa sobre partículas cargadas: electrones y protones. “En el mundo cotidiano, nos enfrentamos a la gravedad o al electromagnetismo. Por eso el alfa es tan importante ”, dijo Holger Mueller , físico de la Universidad de California, Berkeley. 1/137 no es mucho y la influencia del electromagnetismo es débil. Como resultado, las partículas cargadas forman predominantemente átomos vacíos, en los que los electrones se mueven en órbitas distantes y se desprenden fácilmente de ellos. Esto conduce a la formación de enlaces químicos. Por otro lado, la constante es lo suficientemente grande: si estuviera más cerca de 1/138, no se crearía carbono en las estrellas y la vida que nos es familiar no podría aparecer.
Durante casi un siglo, los físicos han estado obsesionados con el deseo de descubrir por qué el valor de alfa resultó ser así. Pero hoy prácticamente han perdido interés en este tema, y reconocen que el valor de las constantes fundamentales puede ser aleatorio, determinado por el lanzamiento de los dados cósmicos en el nacimiento del universo. Ahora tienen un nuevo objetivo.
Los físicos quieren medir el valor de la constante de estructura fina con la mayor precisión posible. Dado que se encuentra en todas partes, su significado preciso les permite probar su teoría de la relación de partículas elementales. A saber, un magnífico conjunto de ecuaciones conocido como Modelo Estándar de Física de Partículas.... Cualquier discrepancia en los valores medidos con precisión relacionados entre sí podría indicar la existencia de nuevas partículas o efectos no contabilizados por las ecuaciones estándar. Cornell llama a estas medidas precisas la tercera forma de descubrir experimentalmente los principios fundamentales del universo, después de los aceleradores de partículas y los telescopios.
En diciembre de 2020, un equipo de cuatro físicos dirigido por Saida Gelati-Khalifa del laboratorio Kastler-Brossel en París publicó un nuevo artículo en Nature con la medición más precisa de la constante de estructura fina hasta la fecha. El equipo recibió el valor de una constante de hasta 11 dígitos: α = 1 / 137.035999206.
Con un error de solo 81 billones, el nuevo valor es tres veces más preciso que el anterior , realizado en 2018 por el principal competidor del equipo, el grupo Mueller en Berkeley. Antes de Müller, Gelati-Khalifa recibió el valor más preciso en ese momento en 2011. Sobre el nuevo valor recibido por sus rivales, Müller dijo: “Tres veces es serio. Puede llamarlo un logro excelente sin mucha vacilación ".
Saida Gelati-Khalifa en su laboratorio de París
Gelati Khalifa ha estado mejorando su experimento durante 22 años. Mide la constante de estructura fina midiendo la cantidad de deflexión de los átomos de rubidio cuando absorben un fotón. Müller hace lo mismo con los átomos de cesio. La tasa de deflexión caracteriza la masa de los átomos de rubidio; en una fórmula simple para la constante de estructura fina, este es el término más difícil de medir. “El cuello de botella es siempre el valor medido con menor precisión, por lo que cualquier mejora en esta área conduce a un refinamiento de la constante de estructura fina”, explicó Müller.
Los experimentadores parisinos comenzaron enfriando los átomos de rubidio hasta casi el cero absoluto y luego arrojándolos a una cámara de vacío. Mientras la nube de átomos descendía, los investigadores utilizaron pulsos de láser para llevarlos a una superposición cuántica de dos estados: colisionar con un fotón y no colisionar. Las dos versiones probables de cada átomo se movieron por caminos separados hasta que nuevos pulsos de láser volvieron a unir las mitades de la superposición. Cuanto más se desviaba el átomo al chocar con un fotón, más se diferenciaba en fase de su otra versión, que no chocaba con el fotón. Los investigadores midieron esta diferencia calculando la tasa de deflexión. "De la tasa de deflexión obtenemos la masa del átomo, y la masa del átomo determina directamente la constante de estructura fina", dijo Gelati-Khalifa.
En experimentos tan precisos, todo cuenta. La primera tabla del nuevo trabajo muestra el "presupuesto de errores" - 16 fuentes de posibles errores e inexactitudes que afectan el resultado final. Esto incluye la gravedad y la fuerza de Coriolis debido a la rotación de la Tierra, las cuales han sido cuidadosamente calculadas y tomadas en cuenta en las mediciones. La mayor contribución al presupuesto de errores proviene de las desventajas del láser, que los científicos han estado mejorando constantemente durante muchos años.
Lo más difícil para Gelati Khalifa es averiguar cuándo detenerse y publicar los resultados. Él y el equipo se detuvieron el 17 de febrero de 2020, cuando el coronavirus estaba ganando impulso en Francia. Cuando se le preguntó si la decisión de un científico sobre cuándo publicar una obra es como los pensamientos de un artista sobre cuándo considerar una pintura completa. Gelati Khalifa respondió: "Exactamente, precisamente, precisamente".
Fue una sorpresa que el resultado de sus mediciones difiera del resultado de Mueller de 2018 en la décima posición después del punto decimal; esta diferencia es mayor que el error de ambas mediciones. Esto significa que, con la excepción de diferencias fundamentales entre rubidio y cesio, una o ambas mediciones pueden contener un error inexplicable. La medición del grupo parisino es más precisa, por lo que tiene una ventaja por ahora, pero ambos equipos mejorarán su configuración experimental y volverán a intentarlo.
Aunque las dos mediciones son diferentes, están cerca del valor alfa obtenido de mediciones precisas del factor g . electrón - una constante asociada con su momento magnético, de hecho, el par que experimenta en un campo magnético. "La constante de estructura fina se puede relacionar con el factor g a través de un gran conjunto de fórmulas", dijo Cornell. "Y si no hubiera suficientes efectos físicos en las ecuaciones del Modelo Estándar, obtendríamos las respuestas incorrectas".
Pero, de hecho, todas las mediciones están en perfecto acuerdo, lo que en su mayor parte rechaza algunas suposiciones sobre la existencia de nuevas partículas. La coincidencia de las mejores mediciones del factor gy la medición de Mueller en 2018 fue aclamada como el mayor triunfo del Modelo Estándar. El nuevo resultado de Gelati Khalifa es aún mejor en línea con las expectativas. "Este es el mejor ajuste entre la teoría y el experimento", dijo.
Y, sin embargo, él y Mueller están decididos a mejorar aún más los experimentos. El equipo de Berkeley cambió a un nuevo láser con un rayo más ancho (que permitirá disparar de manera más uniforme a la nube de átomos de cesio). El equipo parisino planea reemplazar la cámara de vacío y realizar otras mejoras.
¿Qué tipo de persona hay que ser para gastar tanta energía en un resultado tan modesto? Gelati Khalifa nombró tres propiedades: "Tienes que ser escrupuloso, ardiente y honesto contigo mismo". Mueller dijo: “Creo que todo esto es muy interesante. Personalmente, me encanta construir equipos nuevos y brillantes. Y aplíquelos a algunas cosas importantes ". Señaló que nadie puede construir por sí solo un colisionador de alta energía como el Gran Colisionador de Hadrones europeo. Sin embargo, al montar un instrumento ultrapreciso, "es posible realizar medidas que son importantes para la física fundamental, trabajando sólo tres o cuatro de nosotros".