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1 de Febrero de 2018
Física atómica

Rompecabezas hiperfino

Nuevos experimentos con átomos de bismuto muy ionizados revelan una chocante discrepancia con respecto a las predicciones de la electrodinámica cuántica.

Recreación artística de un núcleo pesado con un solo electrón orbitando a su alrededor. En estos casos y otros similares, los pequeños cambios en los niveles de energía electrónicos inducidos por el intenso campo magnético del núcleo permiten poner a prueba la teoría cuántica que describe la interacción electromagnética.
[© ISTOCKPHOTO/POBYTOV]

Con una respetable edad que ya ronda los setenta años, la electrodinámica cuántica (QED, por sus siglas en inglés), la teoría cuántica de campos que describe la interacción electromagnética, es una de las teorías físicas más y mejor verificadas de la historia. Así las cosas, tal vez sorprenda saber que aún es posible ponerla a prueba de una manera cualitativamente nueva. Eso es justamente lo que han logrado Johannes Ullmann, de la Universidad Técnica de Darmstadt, y sus colaboradores. Los resultados, publicados en Nature Communications, muestran un sorprendente desacuerdo con respecto a las predicciones de la QED.

Ullmann y su equipo han efectuado mediciones extraordinariamente precisas del desdoblamiento hiperfino del estado fundamental de átomos de bismuto muy ionizados. En general, el desdoblamiento hiperfino de los niveles de energía de un átomo hace referencia a los minúsculos cambios que tienen lugar en su espectro cuando se toma en consideración la interacción de los electrones con el campo magnético del núcleo. En átomos de gran masa, dicho campo es en torno a un millón de veces mayor que el generado por núcleos ligeros, lo que permite poner a prueba la QED en presencia de los campos más intensos que pueden alcanzarse. En sus experimentos con átomos de bismuto, Ullman y sus colaboradores comprobaron que los resultados diferían de las predicciones teóricas en unas siete desviaciones estándar (sigmas).

Hasta hoy contábamos con dos ejemplos de discrepancias inexplicables entre los experimentos y las predicciones de la QED. Uno concierne al momento magnético anómalo del muon, una cantidad de gran interés por cuanto la elevada masa de esta partícula (207 veces mayor que la del electrón) hace que dicho efecto sea mucho más sensible que su equivalente electrónico a hipotéticas interacciones más allá del modelo estándar. El segundo se debe al valor del radio del protón según se deduce de las mediciones espectroscópicas del hidrógeno muónico (un núcleo de hidrógeno en torno al cual orbita un muon, en lugar de un electrón); desde hace un tiempo, se sabe que esta cantidad difiere en más de siete desviaciones estándar de la obtenida en experimentos de dispersión y en espectroscopía de átomos normales. En los últimos años, ambos problemas han desencadenado una intensa actividad teórica y experimental. Actualmente ya hay planeada una nueva medición del momento magnético del muon, al tiempo que varios experimentos de dispersión y espectroscopía láser investigan el rompecabezas del radio del protón.

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