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29 de Julio de 2013
Física de partículas

¿Cuánto tiempo «vive» un fotón?

Un estudio emplea el fondo cósmico de microondas para imponer un límite inferior a la vida media de las partículas de luz.

¿Puede desintegrarse un fotón? En caso de tener una pequeña masa, las partículas de luz no tendrían por qué ser estables. Un análisis reciente de la luz más antigua del universo ha impuesto una cota inferior a su vida media. [Imagen: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet.]

Uno de los pilares de la electrodinámica afirma que los fotones son partículas sin masa y estables; es decir, que no pueden desintegrarse. Hasta ahora, varios experimentos han puesto cotas a la masa del fotón. Según los límites más estrictos, esta no sería superior a los 10–18 electronvoltios; una cantidad disparatadamente pequeña incluso para los estándares de la física de partículas. Sin embargo, derivar cotas para la vida media de las partículas de luz resulta más complicado. Aunque los fotones pudiesen desintegrarse, el hecho de que desde la Tierra se observen estrellas y galaxias tan lejanas indica que su tiempo de vida media ha de ser necesariamente muy elevado, lo que lo convierte en una cantidad difícil de medir en el laboratorio.

Ahora, Julian Heeck, del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg, ha obtenido un límite para la vida media del fotón a partir de un análisis de la luz más antigua que existe en el universo: el fondo cósmico de microondas. Al considerar las posibles variaciones en el espectro de esta luz, emitida durante la infancia del universo, el investigador concluye que, en el sistema de referencia de reposo del fotón, su vida media no podría ser inferior a 3 años. Tras incluir los efectos relativistas de dilatación del tiempo, esa cota implica que la vida media de un fotón de luz visible ascendería, en el sistema de referencia de un observador en reposo, a unos 1018 años: 100 millones de veces más que la edad del universo. Los resultados fueron publicados hace unos días en la revista Physical Review Letters.

El análisis de Heeck es completamente independiente de las posibles partículas en las que un fotón podría desintegrarse. Se basa en el hecho de que, si una fracción de los fotones del fondo de microondas se hubiese desintegrado, el espectro de dicha radiación no coincidiría hoy con el de un cuerpo negro. Dado que el espectro del fondo de microondas ha sido medido con gran precisión, sus posibles desviaciones se hallan fuertemente constreñidas por las observaciones. El autor llegó a su resultado a partir de esos datos y tomando como límite inferior para la masa del fotón las cotas experimentales previas.

El hecho de que el fotón tenga masa nula suele presentarse como una consecuencia de la estructura matemática de la electrodinámica cuántica. El autor recuerda que, si bien un fotón de masa nula garantiza la consistencia matemática de la teoría, esta última no implica necesariamente un fotón sin masa, ya que existen modelos teóricos válidos que permiten que las partículas de luz adquieran una pequeña masa. Ello abriría la puerta a que el fotón no fuese estable, ya que en principio podría desintegrarse en otras partículas más ligeras. El autor puntualiza que, entre otras consecuencias de primer orden, un fotón inestable eliminaría de un plumazo una gran cantidad de modelos de gran unificación (aquellos que pretenden describir las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas como tres manifestaciones de una única fuerza fundamental de la naturaleza).

Más información en Physical Review Letters y Physics. Una versión del artículo técnico se encuentra disponible en el repositorio arXiv.

—IyC

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