El valor más preciso de la constante de estructura fina

Dibujo20180412 dark photon exclusion from fine-structure constant test sciencemag org 360 6385 191

La constante de estructura fina (α) caracteriza el acoplamiento del campo electromagnético a las partículas con carga eléctrica. Se publica en Science la estimación más precisa de su valor, usando interferometría con átomos de cesio. El resultado obtenido α = 1/137,035 999 046(27), con una precisión de 2 partes por cada diez mil millones (2,0 × 10−10). Comparando el resultado con el obtenido para la anomalía giromagnética del electrón (ge − 2) se obtiene un nuevo límite de exclusión para un posible fotón oscuro, que mejora el obtenido por NA64 (CERN).

El experimento usa un interferómetro para átomos de cesio, análogo a los interferómetros ópticos pero usando ondas de materia en lugar de ondas de luz. La fase que se mide es proporcional a la energía de retroceso de los fotones, que permite estimar el cociente ℏ/m, donde m es la masa del átomo de cesio, a partir del cuál se determina α. Un experimento de alta precisión requiere tener en cuenta multitud de fuentes de error sistemático, incluyendo el efecto de la fuerza de Coriolis debida a la rotación de la Tierra. Las medidas se han obtenido durante 7 meses; cada valor individual representa un día de toma de datos.

Un gran resultado que nos recuerda la gran relevancia de los tests de alta precisión del modelo estándar en la búsqueda de física más allá. El artículo es Richard H. Parker, Chenghui Yu, …, Holger Müller, “Measurement of the fine-structure constant as a test of the Standard Model,” Science 360: 191-195 (13 Apr 2018), doi: 10.1126/science.aap7706.

Dibujo20180412 precision measurements fine-structure constant test sciencemag org 360 6385 191

Esta figura compara las medidas más precisas de la constante de estructura fina obtenidas hasta ahora. El valor CODATA 2014 corresponde al cero de la escala. En color verde se representan las medidas con interferómetros de átomos (cesio, rubidio, etc.), basadas en la energía de retroceso de los fotones; en color rojo las que se basan en el momento giromagnético anómalo del electrón.

Dibujo20180412 simultaneous conjugate atom interferometers fine-structure constant test sciencemag org 360 6385 191

Esta figura ilustra las trayectorias (posición) de los átomos de cesio en el experimento en función del tiempo. Estas trayectorias para los paquetes de átomos se separan cuando se aplica un pulso láser con la frecuencia adecuada. Entra un haz de átomos en el estado |o>, que se separan en los estados |0> (rojo) y |n> (azul) tras interaccionar con 2 n = 10 fotones; más tarde, la interacción con otros fotones divide el estado |0> (rojo) se divide en los estados |n> (verde) y |o> (rojo), y el estado |n> (azul) en los estados |n> (celeste) y |o> (azul). Tras la interacción con N oscilaciones de Bloch, el estado |o> (rojo) pasa a |−N> (rojo), el |n> (verde) a |n+N> (verde), el |o> (azul) a |−N> (azul) y el |n> (celeste) a |n+N> (celeste). Un tercer pulso de fotones incide sobre la superposición de los haces azul y verde, transformando el |−N> (azul) a |−n−N> (azul) y el |n+N> (verde) a |2n+N> (verde). El último pulso de fotones afecta a la superposición de los haces rojo (C) y azul (D), abajo, y verde (A) y celeste (B), arriba. La medida se obtiene gracias a la posición de estos últimos.

Un análisis más detallado del experimento nos llevaría lejos (los interesados pueden consultar la información suplementaria al artículo). Las medidas de precisión del modelo estándar nos permiten buscar posibles desviaciones respecto a las predicciones teóricas; dichas desviaciones podrían ocultar los primeros indicios de física más allá del modelo estándar. Por ello este tipo de estudios es muy relevante (incluso cuando se confirman las predicciones teóricas).


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