Físicos de la Universidad Nacional de Australia han desarrollado el método más sensible para medir la energía potencial de un átomo (dentro de una centésima de decillones de julio, o 10 ^-35 julio), y lo usó para validar una de las teorías más probadas en física:la electrodinámica cuántica (QED).

La investigación, publicada esta semana en Science se basa en encontrar el color de la luz láser donde un átomo de helio es invisible, y es una corroboración independiente de los métodos anteriores utilizados para probar QED, que involucraron la medición de transiciones de un estado de energía atómica a otro.

"Esta invisibilidad es solo para un átomo específico y un color de luz específico, por lo que no podría usarse para hacer una capa de invisibilidad que Harry Potter usaría para investigar los rincones oscuros de Hogwarts", dijo el autor principal, Bryce Henson, Ph. .D. estudiante de la Escuela de Investigación de Física de la ANU.

"Pero pudimos utilizar para investigar algunos rincones oscuros de la teoría QED".

"Esperábamos sacar a QED, porque ha habido algunas discrepancias previas entre la teoría y los experimentos, pero pasó con una nota bastante buena".

La electrodinámica cuántica, o QED, se desarrolló a fines de la década de 1940 y describe cómo interactúan la luz y la materia, incorporando tanto la mecánica cuántica como la teoría especial de la relatividad de Einstein de una manera que se ha mantenido exitosa durante casi ochenta años.

Sin embargo, los indicios de que la teoría QED necesitaba alguna mejora provinieron de discrepancias en las mediciones del tamaño del protón, que se resolvieron en su mayoría en 2019.

Alrededor de este tiempo ANU Ph.D. El académico Bryce Henson notó pequeñas oscilaciones en un experimento muy sensible que estaba realizando en una nube de átomos ultrafría conocida como condensado de Bose-Einstein.

Midió la frecuencia de las oscilaciones con una precisión récord y descubrió que las interacciones entre los átomos y la luz del láser cambiaban la frecuencia, ya que el color del láser variaba.

Se dio cuenta de que este efecto podía aprovecharse para determinar con mucha precisión el color preciso en el que los átomos no interactuaban en absoluto con el láser y la oscilación permanecía sin cambios; en otras palabras, se volvía efectivamente invisible.

Con la combinación de un láser de resolución extremadamente alta y átomos enfriados a 80 mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto (80 nanokelvin), el equipo logró una sensibilidad en sus mediciones de energía de 5 órdenes de magnitud menos que la energía de los átomos, alrededor de 10 ^–35 julios, o una diferencia de temperatura de unos 10 ^-13 de un grado kelvin.

"Es tan pequeño que no puedo pensar en ningún fenómeno con el que compararlo, está tan lejos del final de la escala", dijo Henson.

Con estas medidas, el equipo pudo deducir valores muy precisos para el color de invisibilidad del helio. Para comparar sus resultados con la predicción teórica de QED, recurrieron al profesor Li-Yan Tang de la Academia de Ciencias de China en Wuhan y al profesor Gordon Drake de la Universidad de Windsor en Canadá.

Los cálculos anteriores que usaban QED tenían menos incertidumbre que los experimentos, pero con la nueva técnica experimental que mejora la precisión en un factor de 20, los teóricos tuvieron que aceptar el desafío y mejorar sus cálculos.

En esta búsqueda tuvieron más que éxito:mejoraron su incertidumbre a solo 1/40 de la última incertidumbre experimental y destacaron la contribución de QED a la frecuencia de invisibilidad del átomo, que era 30 veces mayor que la incertidumbre del experimento. El valor teórico fue solo ligeramente inferior al valor experimental en 1,7 veces la incertidumbre experimental.

El líder de la colaboración internacional, el profesor Ken Baldwin de la Escuela de Investigación de Física de la ANU, dijo que las mejoras en el experimento podrían ayudar a resolver la discrepancia, pero también perfeccionarían una herramienta extraordinaria que podría iluminar la QED y otras teorías.

"Las nuevas herramientas para mediciones de precisión a menudo generan grandes cambios en la comprensión teórica en el futuro", dijo el profesor Baldwin. + Explora más

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