La siguiente fase del rompecabezas de protones
Un nuevo hito en la espectroscopia de peine de frecuencias
Los científicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) han logrado probar la electrodinámica cuántica con una precisión sin precedentes de 13 decimales. La nueva medición es casi el doble de precisa que todas las mediciones anteriores de hidrógeno combinadas y acerca la ciencia un paso más a la resolución del rompecabezas del tamaño de los protones. Esta alta precisión fue lograda por la técnica de peine de frecuencias, ganadora del Premio Nobel, que debutó aquí por primera vez para excitar átomos en la espectroscopia de alta resolución.
Figura 1
MPQ
Alexey Grinin y Dery Taray trabajando en el sistema de vacío del experimento 1S-3S.
MPQ
Se dice que la física es una ciencia exacta. Esto significa que las predicciones de las teorías físicas - números exactos - pueden ser verificadas o falsificadas por medio de experimentos. El experimento es el juez más alto de cualquier teoría. La electrodinámica cuántica, la versión relativista de la mecánica cuántica, es sin duda la teoría más exitosa hasta la fecha. Permite realizar cálculos extremadamente precisos, por ejemplo, la descripción del espectro del hidrógeno atómico hasta 12 decimales. El hidrógeno es el elemento más común en el universo y al mismo tiempo el más simple con un solo electrón. Y aún así, alberga un misterio aún desconocido.
El rompecabezas del tamaño de los protones
El electrón en el átomo de hidrógeno "siente" el tamaño del protón, lo que se refleja en cambios mínimos en los niveles de energía. Durante muchas décadas, innumerables mediciones en el hidrógeno han dado como resultado un radio de protones consistente. Pero las investigaciones espectroscópicas del llamado hidrógeno muónico, en el que el electrón fue sustituido por su gemelo 200 veces más pesado, el muón, revelaron un misterio. Las mediciones se realizaron en 2010 en colaboración con Randolf Pohl, en ese momento jefe de grupo del Departamento de Espectroscopia Láser del Prof. Hänsch (MPQ) y ahora profesor de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia. El valor del radio de protones que se puede derivar de estos experimentos es un cuatro por ciento menor que el del hidrógeno ordinario. Si se piensa que todos los experimentos son correctos, surge una contradicción con la teoría de la electrodinámica cuántica, ya que todas las mediciones en el hidrógeno muónico y ordinario deben reportar el mismo radio de protones, cuando todos los términos teóricos son correctos. En consecuencia, este "rompecabezas del radio de protones" motivó nuevas mediciones de precisión en todo el mundo. Sin embargo, mientras que las nuevas mediciones de Garching y Toronto confirmaron el menor radio de protones, una medición de París volvió a apoyar el anterior valor mayor.
Comparando las mediciones
La ciencia prospera con las comparaciones independientes. Por eso el equipo de Garching dirigido por Alexey Grinin, Arthur Matveev y Thomas Udem del Departamento de Espectroscopia Láser de Theodor Hänsch quiso medir la misma transición que en París utilizando un método completamente diferente y por lo tanto complementario. Utilizando la llamada espectroscopia de peine de frecuencia de dos fotones sin Doppler, han logrado ahora mejorar la precisión en un factor de cuatro. El resultado para el radio de protones fue ahora dos veces más exacto que todas las mediciones anteriores del hidrógeno juntas. Es la primera vez que la mecánica cuántica se comprueba hasta el decimotercer decimal. El valor del radio de protones determinado de esta manera confirma el radio de protones más pequeño y por lo tanto excluye la teoría como causa. Porque para la misma transición, los resultados experimentales deben coincidir, independientemente de la teoría. La siguiente figura (fig. 1) muestra la situación actual.
En esta figura se comparan diferentes resultados para el radio del protón en el femtómetro [fm], es decir, 〖10〗^(-15)m. El nuevo valor de la transición 1S-3S en el hidrógeno ordinario se aproxima más al valor obtenido de la transición 2S-2P en el hidrógeno muónico. Aunque este átomo exótico sólo puede ser producido por el corto tiempo de dos millonésimas de segundo, es particularmente "sensible" al radio de protones. Por lo tanto, tiene los menores errores de medición (barras negras de error horizontales). Las evaluaciones sobre la validez de la electrodinámica cuántica sólo son posibles comparando varias mediciones independientes. Si la teoría y su aplicación se mantienen, y todos los experimentos se realizan correctamente, los valores del radio del protón deben concordar entre sí dentro de los límites de la incertidumbre experimental. Pero este no es el caso, como podemos ver en la imagen. La revelación de esta discrepancia - el rompecabezas de los protones - abrió la posibilidad de que la electrodinámica cuántica, la teoría física más precisa, puede estar llevando un defecto fundamental. Sin embargo, el nuevo resultado sugiere que el problema es de naturaleza experimental más que fundamental. Y la electrodinámica cuántica habría tenido éxito una vez más.
Un nuevo hito en la espectroscopia de peine de frecuencias
El éxito de la espectroscopia de peine de frecuencias realizada en este proyecto también significa un hito importante en la ciencia por otra razón. La espectroscopia de precisión en hidrógeno y otros átomos y moléculas se ha realizado hasta ahora casi exclusivamente con láseres de onda continua. Por el contrario, el peine de frecuencias se genera con un láser pulsado. Con tales láseres es posible penetrar en longitudes de onda mucho más cortas hasta el rango ultravioleta extremo. Con los láseres de onda continua, esto parece ser un esfuerzo desesperado. Los iones altamente interesantes, como el ión de helio parecido al hidrógeno, tienen sus transiciones en este rango espectral, pero incluso más de 100 años después del desarrollo de la primera teoría cuántica, no pueden ser estudiados con precisión, lo que significa que con la luz láser. El experimento que se presenta ahora es un paso esencial para cambiar esta situación insatisfactoria. Además, se espera que estos peines de frecuencia ultravioleta permitan que elementos biológica y químicamente importantes como el hidrógeno y el carbono se enfríen directamente con el láser, lo que permitirá a la ciencia estudiarlos con una precisión aún mayor.
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