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4 de Diciembre de 2020
Física

Una nueva medición de una constante clave para el universo

Un equipo de físicos ha determinado el valor de la constante de estructura fina con una precisión inédita. El resultado restringe las posibilidades de que existan nuevas fuerzas en la naturaleza.

La constante de estructura fina se introdujo en 1916 para cuantificar el pequeño salto existente entre dos líneas del espectro de frecuencias emitidas por ciertos átomos. Esas frecuencias muy cercanas pueden observarse por medio de un interferómetro de Fabry-Pérot, que genera anillos de interferencia como los mostrados en la imagen. [Stefan/Wikimedia Commons]

Por lo que se refiere a las constantes fundamentales, la velocidad de la luz, c, se lleva toda la fama. Y sin embargo, su valor numérico no nos dice nada sobre la naturaleza; de hecho, difiere según se mida en metros por segundo o en kilómetros por hora. La constante de estructura fina, por el contrario, no tiene dimensiones o unidades. Es un número puro clave para el universo, «un número mágico que aparece sin que el hombre entienda cómo», en palabras de Richard Feynman. Paul Dirac consideraba el origen de este número «el problema más fundamental que queda por resolver en la física».

Numéricamente, la constante de estructura fina, denotada por la letra griega α (alfa), se aproxima mucho a 1/137. Este cociente aparece de manera habitual en las fórmulas que gobiernan la luz y la materia. «Es como en la arquitectura, donde tenemos la proporción áurea», compara Eric Cornell, físico de la Universidad de Colorado en Boulder y del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, ganador del premio Nobel en 2001. «En la física de la materia de baja energía (átomos, moléculas, química, biología) siempre tenemos una proporción» entre las cosas más grandes y las más pequeñas, prosigue. «Y esos cocientes suelen ser potencias de la constante de estructura fina.»

Dicha constante aparece por todas partes porque caracteriza la intensidad de la fuerza electromagnética, que afecta a las partículas cargadas, como los electrones y los protones. «En nuestro día a día, todo está relacionado con la gravedad o el electromagnetismo. Y es la razón por la que alfa es tan importante», explica Holger Müller, físico de la Universidad de California en Berkeley.

Debido a que el valor 1/137 es pequeño, el electromagnetismo es débil. Como consecuencia, las partículas cargadas forman átomos con mucho espacio vacío, cuyos electrones orbitan a distancia y escapan fácilmente, lo cual permite los enlaces químicos. Por otro lado, la constante también es lo bastante grande: los físicos han argumentado que si fuera alrededor de 1/138, las estrellas no podrían crear carbono, y no existiría la vida tal y como la conocemos.

Los físicos han renunciado en cierta medida a una obsesión centenaria sobre el origen del valor concreto de alfa: ahora reconocen que las constantes fundamentales podrían ser aleatorias y haber quedado fijadas en «lanzamientos de dados cósmicos» durante el nacimiento del universo. Pero un nuevo objetivo ha tomado el relevo.

Y es que los físicos también quieren medir la constante de estructura fina con la mayor precisión posible. Dado que es tan ubicua, esa medición les permite poner a prueba su teoría de las interrelaciones entre las partículas elementales, el imponente conjunto de ecuaciones conocido como el modelo estándar de la física de partículas.

Cualquier discrepancia entre mediciones ultraprecisas de las cantidades relacionadas con el modelo estándar podría apuntar a la existencia de nuevas partículas o efectos no incluidos en sus ecuaciones. Cornell considera que este tipo de medidas de precisión constituyen una tercera vía para descubrir experimentalmente el funcionamiento del universo, junto con los colisionadores de partículas y los telescopios.

En un artículo publicado esta semana en Nature, un equipo de cuatro físicos del Laboratorio Kastler Brossel de París, dirigido por Saïda Guellati-Khélifa, detalla una nueva medición de la constante de estructura fina, la más precisa realizada hasta la fecha. El equipo determinó el valor de la constante con una precisión de 11 cifras, hallando que 1/α = 137,035999206(11). (Los dos últimos dígitos corresponden a la incertidumbre, es decir: 137,035999206(11) = 137,035999206 ± 0,000000011.)

Con un margen de error de tan solo 81 partes por billón, este nuevo valor es casi tres veces más preciso que la mejor medición previa, realizada en 2018 por el equipo de Müller en Berkeley, los principales competidores del grupo de París. (Antes de este resultado de Müller, la medición más precisa también la había llevado a cabo Guellati-Khélifa, en 2011.) Refiriéndose a la nueva medición de alfa de su colega, Müller asegura que «un factor tres es sensacional. No hay duda de que es un gran logro».

Guellati-Khélifa se ha pasado los últimos 22 años mejorando su experimento. Para determinar la constante de estructura fina, estudia el retroceso que experimentan los átomos de rubidio al absorber un fotón. (Müller hace lo mismo con átomos de cesio.) La velocidad de retroceso revela la masa de los átomos de rubidio, la cantidad más difícil de medir de las que conforman una sencilla fórmula para la constante de estructura fina. «La medición menos precisa siempre constituye el factor limitante, así que cualquier mejora en esa medición conduce a una mejora en la constante de estructura fina», explica Müller.

El grupo de París comienza enfriando los átomos de rubidio casi hasta el cero absoluto, y luego los deja caer en una cámara de vacío. A medida que cae la nube de átomos, los investigadores emplean pulsos láser para poner los átomos en una superposición cuántica de dos estados, correspondientes a haber absorbido o no un fotón. Esas dos posibles versiones de cada átomo describen trayectorias separadas hasta que otros pulsos láser vuelven a combinar las dos mitades de la superposición.

Cuanto más retroceda un átomo al absorber un fotón, mayor será su diferencia de fase con respecto a la versión de sí mismo que no ha interaccionado con la luz. Los investigadores miden esa diferencia para determinar la velocidad de retroceso de los átomos. «A partir de la velocidad de retroceso, extraemos la masa del átomo, la cual interviene de manera directa en la determinación de la constante de estructura fina», detalla Guellati-Khélifa.

En esos experimentos tan precisos, cada detalle importa. La tabla 1 del nuevo artículo presenta un balance de errores, donde se enumeran 16 fuentes de error e incertidumbre que afectan al valor final. Entre ellas se encuentran la gravedad y la fuerza de Coriolis generada por la rotación de la Tierra, que se cuantifican y compensan de manera minuciosa. Gran parte del error procede de aspectos relacionados con el láser, un instrumento que los investigadores llevan años perfeccionando.

Para Guellati-Khélifa, lo más difícil es saber cuándo parar y publicar los resultados. Su equipo paró la semana del 17 de febrero de 2020, justo cuando el coronavirus estaba ganando terreno en Francia. Ante la pregunta de si la decisión de publicar se parece a la que toma un artista al determinar que su cuadro ya está terminado, Guellati-Khélifa replica: «Exacto, eso es. Eso es.»

Sorprendentemente, el nuevo valor difiere del que obtuvo Müller en 2018 en la séptima cifra decimal, una discrepancia mayor que el margen de error de cualquiera de las dos mediciones. Esto significa —a no ser que exista alguna diferencia fundamental entre el rubidio y el cesio— que uno de los resultados (o los dos) está afectado por un error que no se ha tenido en cuenta. La medición del grupo de París es más precisa, así que tiene prioridad por ahora, pero ambos grupos mejorarán sus montajes experimentales y lo intentarán de nuevo.

Aunque las dos mediciones difieren, se ajustan muy bien al valor de alfa que se infiere a partir de mediciones precisas del factor g del electrón (una constante relacionada con su momento magnético) o de la fuerza que experimenta el electrón en un campo magnético. «Es posible relacionar la constante de estructura fina con el factor g usando una importante cantidad de matemáticas», apunta Cornell. «Si hubiera algún efecto físico no reflejado en las ecuaciones [del modelo estándar], obtendríamos una respuesta discrepante.»

En cambio, los resultados de ambos métodos concuerdan a la perfección, lo que descarta en gran medida algunas propuestas sobre la existencia de nuevas partículas. La coincidencia entre las mejores mediciones del factor g y el valor obtenido por Müller en 2018 fue aclamada como el mayor triunfo del modelo estándar, y el nuevo resultado de Guellati-Khélifa concuerda aún mejor. «Se trata del acuerdo más preciso [hasta la fecha] entre teoría y experimento», asegura la investigadora.

Aun así, ella y Müller se han propuesto continuar haciendo progresos. El grupo de Berkeley ha cambiado el láser por uno con un haz más ancho (lo cual permitirá que interaccione con la nube de átomos de cesio de manera más uniforme), mientras que el grupo de París pretende reemplazar su cámara de vacío, entre otras mejoras.

¿Qué clase de persona invierte tantísimo esfuerzo en realizar mejoras tan pequeñas? Guellati-Khélifa menciona tres rasgos que debe poseer: «Ha de ser rigurosa, apasionada y honesta consigo misma.» En respuesta a la misma pregunta, Müller afirma que «me parece emocionante porque me encanta construir buenos instrumentos. Y me encanta aplicarlos a algo importante».

El investigador destaca que nadie puede fabricar por sí solo un acelerador de partículas de alta energía, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Pero al construir un instrumento ultrapreciso en lugar de uno ultraenergético, concluye Müller, «es posible hacer mediciones relevantes para la física fundamental, con tan solo tres o cuatro personas».

Natalie Wolchover/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «Determination of the fine-structure constant with an accuracy of 81 parts per trillion», Léo Morel et al. en Nature, vol. 588, págs. 61-65, 3 de diciembre de 2020.

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