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Mide la fuerza de interacción de luz-partículas elementales

Hallan la constante de la estructura fina del universo, uno de los misterios fundamentales de este

Ilustración de la medición experimental de la constante de estructura fina

Una nueva investigación, liderada por científicos del Laboratorio Kastler Brossel de Francia, especializado en física fundamental de los sistemas cuánticos, ha conseguido la medición más precisa hasta ahora de la constante de la estructura fina del universo. Esta se refiere a la fuerza de interacción entre la luz y las partículas elementales cargadas, como los electrones. Pasa de lo 8 dígitos que la expresaban a los 11 dígitos, mejorando la precisión de la medición anterior en un factor de 3,2
Redacción 20 de diciembre de 2020 Enviar a un amigo
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La validación y aplicación de las teorías en física requieren la medición de los valores universales conocidos como constantes fundamentales. Los científicos lograron tal precisión mejorando su configuración experimental, en un esfuerzo por reducir las inexactitudes y controlar los efectos que pueden crear perturbaciones en la medición.

El experimento involucra átomos de rubidio fríos con una temperatura cercana al cero absoluto. Cuando absorben fotones, estos átomos retroceden a una velocidad que depende de su masa. La medición de alta precisión de este fenómeno ayuda a mejorar el conocimiento de la constante de estructura fina. Los resultados, que aparecidos en Nature el 3 de diciembre, abren nuevas perspectivas para probar las predicciones teóricas del Modelo Estándar.El uso de constantes más precisas puede ayudar a responder preguntas fundamentales, como el origen de la materia oscura en el Universo.

Los investigadores usan la imagen superior para representar los diagramas de Feynman reales utilizados para ayudar a calcular el valor teórico de la anomalía del momento magnético del electrón (calculado utilizando la constante de estructura fina, entre otros). El esquema del interferómetro atómico utilizado para medir la velocidad de retroceso está representado en color.

El Modelo Estándar de la física de partículas, que describe la estructura fundamental de la materia y del vacío (el estado cuántico con la mínima energía posible), necesita 25 constantes fundamentales para explicar los fenómenos físicos. Una de llas más estratégicas para la comprensión de la materia es la constante de estructura fina, que determina la interacción electromagnética entre partículas masivas.

La constante de estructura fina pertenece a la misma familia de constantes como la velocidad de la luz. Gracias a esta investigación, su valor numérico, cercano a la relación 1/137, ha aumentado de ocho cifras significativas hasta las 11 cifras.

Según explica el CNRS en un comunicado, los científicos han logrado esa precisión de la constante de estructura fina al perfeccionar su configuración experimental: han reducido las inexactitudes y controlado los efectos que pueden perturbar la medición.

El experimento consistió en enfriar átomos de rubidio a una temperatura cercana al cero absoluto. Estos átomos retroceden durante la absorción de fotones de luz a una velocidad que depende de su masa: la medición muy precisa de ese retroceso permite perfeccionar el conocimiento de la constante de estructura fina.

De la velocidad de ese retroceso, los investigadores obtienen la masa del átomo de rubidio, que está directamente relacionada con la determinación de la constante de estructura fina, destacan los científicos.

La revista Quanta destaca la importancia de este resultado: “como constantes fundamentales, la velocidad de la luz disfruta de toda la fama, sin embargo, su valor numérico no dice nada sobre la naturaleza; difiere dependiendo de si se mide en metros por segundo o millas por hora. La constante de estructura fina, sin embargo, no tiene dimensiones ni unidades. Es un número puro que da forma al universo en un grado asombroso: un número mágico que nos llega sin entenderlo, como lo describió Richard Feynman. Paul Dirac consideró el origen del número como el problema sin resolver más fundamental de la física.”

En la vida cotidiana, todo se reduce a gravedad y electromagnetismo, por lo que la constante de estructura fina es la que asegura el equilibrio necesario entre partículas elementales para el surgimiento y mantenimiento de la vida en el universo.

Añade la revista que mediciones tan precisas como la alcanzada de la constante de estructura fina, es una forma de descubrir experimentalmente el funcionamiento fundamental del universo, junto con los colisionadores de partículas y los telescopios.

Hay una salvedad en este descubrimiento: su resultado difiere ligeramente de otra medición de la constante de estructura fina realizada en 2018 con átomos de cesio, en vez de átomos de rubidio, lo que plantea que una de las dos mediciones tiene pendiente todavía aclarar algo.

En cualquier caso, la nueva medición supera considerablemente en precisión a la anterior y, sobre todo, evidencia que las coincidencias entre ambas mediciones son más que suficientes para olvidar la necesidad de nuevas partículas para explicar la diferencia, concluye Quanta.

Referencia
Determination of the fine-structure constant with an accuracy of 81 parts per trillion. Léo Morel et al. Nature, Volume 588, pages 61–65(2020). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2964-7.

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