Los investigadores han puesto a prueba la electrodinámica cuántica, superando los límites del modelo estándar de la física.

Nuestra comprensión de cómo las partículas cargadas interactúan entre sí y con los campos electromagnéticos se basa en la electrodinámica cuántica (QED), que es una parte integral del modelo estándar, nuestra teoría física que mejor funciona para describir los componentes básicos del universo y su interacciones.

Pero, ¿es esta teoría lo suficientemente precisa? Para averiguarlo, un grupo de científicos midió la diferencia en las propiedades magnéticas de dos isótopos de neón atrapados en una trampa magnética y encontró un acuerdo total con la predicción teórica. Una técnica experimental recientemente desarrollada permitió a los investigadores mejorar la precisión en aproximadamente dos órdenes de magnitud en comparación con las mediciones anteriores.

Los físicos pueden utilizar la electrodinámica cuántica para calcular muchas propiedades de las partículas con una precisión extraordinaria. Una de estas cantidades es el momento magnético del electrón, también conocido como factor g, que determina la fuerza de la interacción de la partícula con el campo magnético.

Ya se ha medido el factor g de un electrón no unido a un núcleo. El resultado más preciso de Hanneke, Fogwell y Gabrielse de 2008 tenía una precisión de 13 dígitos y coincidía con el cálculo realizado con el mismo nivel de precisión. Este es uno de los mejores acuerdos entre teoría y experimento en la historia de la física.

Sin embargo, cuando un electrón está unido a un núcleo, la interacción entre los dos afecta el valor del factor g. La electrodinámica cuántica permite calcular esta cantidad, pero la comparación del experimento y la predicción es un desafío en este caso, ya que la precisión del factor g medido de los electrones enlazados está limitada por incertidumbres en las masas de electrones y nucleares y por fluctuaciones inevitables en es el campo magnético del detector.

Para superar estas dificultades, un equipo de físicos dirigido por Sven Sturm en el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg diseñó un experimento para medir la diferencia entre los factores g de los electrones en dos iones de neón altamente cargados. Los científicos estudiaron la diferencia entre estos dos valores, en lugar de los propios factores g individuales, ya que sus valores calculados dependen de las masas de las partículas y la intensidad del campo magnético, que son difíciles de medir experimentalmente con suficiente precisión. Para validar los resultados experimentales, se requiere una comparación con un valor determinado teóricamente, y la diferencia entre los factores g es relativamente fácil de determinar.

Los investigadores utilizaron iones de neón con un solo electrón porque su descripción teórica es muy similar a la del hidrógeno, el átomo más simple, lo que permite cálculos más precisos para comparar con los resultados experimentales.

«Con nuestro trabajo, ahora hemos logrado examinar estas predicciones QED con una resolución sin precedentes y, en algunos casos, por primera vez», dijo Sturm en una entrevista. «Para hacer esto, observamos la diferencia en el factor g de dos isótopos de iones de neón altamente cargados que solo tienen un solo electrón».

El equipo utilizó una trampa de Penning en la que las partículas cargadas se confinan mediante un campo magnético homogéneo y un campo eléctrico no homogéneo. Dos iones de neón diferentes, separados por medio milímetro, se mueven en el mismo camino circular en el detector. Esta pequeña distancia entre ellos ayuda a garantizar que las fluctuaciones del campo magnético experimentadas por ambos iones sean casi iguales, y la incertidumbre en los factores g causada por estas fluctuaciones incontroladas se cancela en la diferencia entre los dos factores g.

Para determinar los factores g de los electrones, los científicos midieron la probabilidad de que cada uno de ellos invierta la dirección de su giro en respuesta a un pulso magnético aplicado. Esta probabilidad depende del factor g y es diferente para los dos iones. El resultado final proporcionó la diferencia entre los factores g de los dos electrones, medidos con una precisión récord de 13 dígitos, que es aproximadamente dos órdenes de magnitud mejor que la precisión de las mediciones anteriores.

Los cálculos teóricos que respaldan este resultado se realizaron con una precisión similar y parecían estar de acuerdo con el experimento, estando limitada la precisión solo por la incertidumbre en los radios de los núcleos. Esto confirma una vez más que la electrodinámica cuántica es muy adecuada para describir las interacciones de las partículas subatómicas cargadas y para confirmar el modelo estándar de la física.

“Comparando con los nuevos valores experimentales, hemos confirmado que el electrón sí interactúa con el núcleo a través del intercambio de fotones, como predice QED”, explica Zoltán Harman en la entrevista.

Los físicos enfatizaron que su método está actualmente limitado experimentalmente por la falta de homogeneidad del campo magnético, pero podría mejorarse significativamente en el futuro, extendiendo potencialmente la precisión a 15 dígitos.

La técnica desarrollada por los físicos también podría ayudar en la búsqueda de física más allá del Modelo Estándar, ya que las partículas desconocidas y sus interacciones podrían dar lugar a discrepancias en los datos observacionales obtenidos a partir de cálculos electrodinámicos cuánticos.

«El método presentado aquí podría permitir una serie de experimentos nuevos y emocionantes en el futuro, como la comparación directa de materia y antimateria o la determinación ultraprecisa de las constantes naturales», dice Tim Sailer, primer autor del estudio.

Referencia: Tim Sailer, et al., Medición de la diferencia del factor g entre electrones enlazados en iones acoplados, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04807-w

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