Físicos de los Estados Unidos han llevado a cabo unas pruebas extremadamente precisas de una de las piedras angulares de la física moderna – la idea de que dos tipos fundamentales de partículas, bosones y fermiones, siguen dos tipos distintos de comportamiento estadístico.
El experimento de láser confirmó que los fotones se comportan de acuerdo con las estadísticas de Bose–Einstein, estrechando las posibilidades de que los fotones puedan ser fermiones en un factor de 1000, en comparación con las pruebas anteriores.
Los físicos nos dicen que las partículas fundamentales aparecen en dos variedades básicas: bosones, que tienen valores enteros de momento angular intrínseco o “espín”, y los fermiones, que tienen un valor de espín semientero. Los bosones incluyen partículas portadoras de fuerzas como el fotón, W y Z y siguen las estadísticas de Bose–Einstein.
Una consecuencia importante de esto es que muchos bosones idénticos son libres de ocupar el mismo estado cuántico, llevando a fenómenos tales como los condensados Bose–Einstein y el umbral de excitación estimulada (lasing).
Los fermiones incluyen a las partículas fundamentales de la materia tales como quarks y electrones y obedecen el comportamiento de Fermi–Dirac.
Los fermiones idénticos nunca pueden existir en el mismo estado cuántico, dándonos la estructura en capas de los átomos y, con ello, la química.
No hay una explicación simple
El principio de que las partículas de espín entero está gobernadas por las estadísticas de Bose–Einstein mientras que las de espín semientero muestran un comportamiento de Fermi–Dirac se ha demostrado usando las matemáticas de la Teoría de Campo Cuántico.
Pero algunos físicos, incluyendo el fallecido Richard Feynman, habían tenido problemas con el hecho de que no hay una explicación simple para esta conexión y que descansa sobre muchas suposiciones, algunas indicadas y otras implícitas.
Es más, se ha especulado que estas suposiciones pueden no mantenerse en teorías físicas más generales, como la Teoría de Cuerdas.
Dmitry Budker y Damon English de la Universidad de California en Berkeley decidieron que probarían este principio, conocido como el teorema de la estadística del espín, tan precisamente como pudieran.
Sabían que las posibilidades de desmentir la teoría era mínimas, pero reconocían que era importante llevar a cabo los experimentos en cualquier caso. Como señala Budker, el descubrimiento de la violación CP en la física de partículas no se anticipó y “no tuvo un atractivo teórico inmediato” pero es uno de los principales ingredientes en la explicación de por qué el universo parece contener mayores cantidades de materia que de antimateria. “Nuestro experimento es de un riesgo muy alto, pero con una alta recompensa”, dice, “dado que es extremadamente improbable que descartemos la teoría pero si lo hacemos sería un descubrimiento revolucionario”.
Budker y English, junto a Valeriy Yashchuk del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, investigaron un tipo particular de absorción de dos fotones por parte de átomos de bario en la que el momento angular de los átomos cambia de cero a uno.
La mecánica cuántica nos dice que es imposible construir una función de onda de dos partículas con un momento angular total de uno si la función de onda es simétrica (con respecto al intercambio de partículas) como en el caso de fotones idénticos.
En otras palabras, si los fotones son bosones, debería ser imposible llevar a cabo este particular proceso de absorción en parejas de fotones que comparten la mismo frencuencia.
No hay tal absorción
Los investigadores dispararon dos haces de láser verde desde direcciones opuestas sobre un haz de átomos de bario contenido dentro de una cavidad óptica, con la energía combinada de un par de fotones (creado a partir de un fotón de cada uno de los haces) igual a la energía de absorción del bario.
Encontraron que cuando las frecuencias de los haces eran ligeramente distintas entre sí, la absorción tenía lugar, lo cual observaron midiendo los fotones emitidos en la posterior desexcitación del bario.
Pero no observaron tal absorción cuando las frecuencias eran idénticas – demostrando que los fotones realmente son bosones.
Budker y David DeMille, ahora en la Universidad de Yale, publicaron resultados de un experimento similar llevado a cabo en 1999, el cual también demostró que los fotones se comportaban como bosones.
No obstante, las últimas pruebas son mucho más precisas, gracias a las mejores en la configuración experimental, y reduce la incertidumbre del resultado en tres órdenes de magnitud – demostrando que el resultado es mejor que cuatro partes en 1011 con un nivel de confianza del 90%.
De acuerdo con Budker, la precisión podría mejorarse entre 100 y 1000 veces aumentando la estabilidad de los lásers y mejorando la eficiencia, así como reduciendo el ruido del detector de fotones.
Beneficios prácticos
Budker añade que el experimento podría incluso tener beneficios prácticos.
Comenta que han sido capaces de medir un tipo anteriormente no observado y extremadamente débil de transición de dos fotones que permite una división hiperfina, y que esto podría potencialmente usarse para un nuevo tipo de relojes atómicos.
El trabajo se describe en la revista Phys. Rev. Lett..
By Kanija
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