Usando una técnica recientemente desarrollada, los científicos del Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) en Heidelberg han medido la diferencia muy pequeña en las propiedades magnéticas de dos isótopos de neón altamente cargados en una trampa de iones con una precisión previamente inaccesible. La comparación con cálculos teóricos igualmente extremadamente precisos de esta diferencia permite una prueba de nivel récord de electrodinámica cuántica (QED). El acuerdo de los resultados es una confirmación impresionante del modelo estándar de la física, que permite sacar conclusiones sobre las propiedades de los núcleos y establecer límites para la nueva física y la materia oscura.

Los electrones son algunos de los bloques de construcción más fundamentales de la materia que conocemos. Se caracterizan por algunas propiedades muy distintivas, como su carga negativa y la existencia de un momento angular intrínseco muy específico, también llamado espín. Como una partícula cargada con espín, cada electrón tiene un momento magnético que se alinea en un campo magnético similar a la aguja de una brújula. La fuerza de este momento magnético, dada por el llamado factor g, se puede predecir con extraordinaria precisión mediante electrodinámica cuántica. Este cálculo concuerda con el factor g medido experimentalmente dentro de los 12 dígitos, una de las coincidencias más precisas de teoría y experimento en física hasta la fecha. Sin embargo, el momento magnético del electrón cambia tan pronto como ya no es una partícula "libre", es decir, que no se ve afectada por otras influencias, sino que está unido a un núcleo atómico, por ejemplo. Los ligeros cambios del factor g se pueden calcular mediante QED, que describe la interacción entre el electrón y el núcleo en términos de un intercambio de fotones. Las mediciones de alta precisión permiten una prueba sensible de esta teoría.

"Con nuestro trabajo, ahora hemos logrado investigar estas predicciones QED con una resolución sin precedentes, y parcialmente, por primera vez", informa el líder del grupo Sven Sturm. "Para hacer esto, observamos la diferencia en el factor g de dos isótopos de iones de neón altamente cargados que poseen un solo electrón". Estos son similares al hidrógeno, pero con una carga nuclear 10 veces mayor, lo que mejora los efectos QED. Los isótopos difieren solo en el número de neutrones en el núcleo cuando la carga nuclear es la misma. ²⁰ Ne ⁹⁺ y ²² Ne ⁹⁺ con 10 y 12 neutrones, respectivamente, fueron investigados.

El experimento ALPHATRAP en el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg proporciona una trampa de Penning especialmente diseñada para almacenar iones individuales en un fuerte campo magnético de 4 Tesla en un vacío casi perfecto. El objetivo de la medición es determinar la energía necesaria para cambiar la orientación de la "aguja de la brújula" (giro) en el campo magnético. Para ello se busca la frecuencia exacta de excitación de microondas necesaria para tal fin. Sin embargo, esta frecuencia también depende del valor exacto del campo magnético. Para determinar esto, los investigadores aprovechan el movimiento de los iones en la trampa de Penning, que también depende del campo magnético.

A pesar de la muy buena estabilidad temporal del imán superconductor utilizado aquí, las pequeñas fluctuaciones inevitables del campo magnético limitan las mediciones anteriores a unos 11 dígitos de precisión.

La idea del nuevo método es almacenar los dos iones a comparar, ²⁰ Ne ⁹⁺ y ²² Ne ⁹⁺ simultáneamente en el mismo campo magnético en un movimiento acoplado. En tal movimiento, los dos iones siempre giran uno frente al otro en una trayectoria circular común con un radio de solo 200 micrómetros", explica Fabian Heiße, posdoctorado en el experimento ALPHATRAP.

Como resultado, las fluctuaciones del campo magnético tienen efectos prácticamente idénticos en ambos isótopos, por lo que no influye en la diferencia de energías buscadas. En combinación con el campo magnético medido, los investigadores pudieron determinar la diferencia de los factores g de ambos isótopos con una precisión récord de 13 dígitos, una mejora de un factor de 100 en comparación con las mediciones anteriores y, por lo tanto, la comparación más precisa de dos g. -factores a nivel mundial. La resolución lograda aquí se puede ilustrar de la siguiente manera:si, en lugar del factor g, los investigadores hubieran medido la montaña más alta de Alemania, el Zugspitze, con tanta precisión, podrían reconocer átomos adicionales individuales en la cima por la altura de la montaña.

Los cálculos teóricos se realizaron con una precisión similar en el departamento de Christoph Keitel en MPIK. "En comparación con los nuevos valores experimentales, confirmamos que el electrón sí interactúa con el núcleo atómico a través del intercambio de fotones, como predijo QED", explica el líder del grupo, Zoltán Harman. Esto ahora se ha resuelto y probado con éxito por primera vez mediante las mediciones de diferencia en los dos isótopos de neón. Alternativamente, suponiendo que se conozcan los resultados de QED, el estudio permite que los radios nucleares de los isótopos se determinen con mayor precisión que antes por un factor de 10.

"Por el contrario, el acuerdo entre los resultados de la teoría y el experimento nos permite restringir la nueva física más allá del modelo estándar conocido, como la fuerza de la interacción del ion con la materia oscura", afirma el postdoctorado Vincent Debierre.

"En el futuro, el método presentado aquí podría permitir una serie de experimentos novedosos y emocionantes, como la comparación directa de materia y antimateria o la determinación ultraprecisa de las constantes fundamentales", afirma el primer autor, el Dr. Tim Sailer. + Explora más

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