Probando la mejor teoría de la naturaleza hasta el momento

La mejor teoría para explicar el mundo subatómico nació en 1928 cuando el teórico Paul Dirac combinó la mecánica cuántica con la relatividad especial para explicar el comportamiento del electrón. El resultado fue la mecánica cuántica relativista, que se transformó en un ingrediente primario en la teoría cuántica de campos. Con unas pocas suposiciones y unos ajustes ad-hoc, la teoría cuántica de campos ha probado ser suficientemente poderosa para formar la base del modelo estándar de las partículas y las fuerzas.
“Incluso así, debería recordarse que el modelo estándar no es una teoría final de todos los fenómenos, y que es, por tanto, un modelo per se incompleto”, dice Dmitry Budker, científico miembro de la división de ciencia nuclear del departamento de energía del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en EE.UU., y profesor de física en la Universidad de California en Berkeley.
Budker ha estado interesado mucho tiempo en comprobar las bases comúnmente aceptadas de las teorías físicas a los límites. En el número 25 de Junio de la revista Physical Review Letters, él y sus colegas informan de las pruebas más rigurosos de una todavía fundamental suposición sobre el comportamiento de las partículas a escala atómica.Por qué necesitamos el teorema de estadística del espín.“Comprobamos uno de los pilares teóricos de la teoría cuántica de campos, el teorema de estadística del espín”, dice Damon English, un ex-estudiante de Budker y postdoctorado actualmente en el departamento de física de la Universidad de California, quien dirigió el experimento. “Esencialmente, estábamos preguntando, ¿son los fotones realmente bosones perfectos?”El teorema de estadística del espín dice que todas las partículas fundamentales deben ser clasificadas en dos categorías, fermiones o bosones. (Los nombres vienen de las estadísticas de Fermi-Dirac y de Bose-Einstein, que explican sus respectivos comportamientos.)Dos electrones no pueden estar en el mismo estado cuántico. Por ejemplo, dos electrones en un átomo no pueden tener conjuntos idénticos de números cuánticos. No obstante, Cualquier número de bosones puede ocupar el mismo estado cuántico; esto hace posible entre otros fenómenos, el láser.Los electrones, neutrones, protones, y muchas otras partículas de materia son fermiones. Los fotones de la fuerza electromagnética, las partículas W y Z mediadores de la fuerza débil, y partículas de materia como núcleos de deuterio, mesones pi, y otras, son bosones. Es el teorema de estadística del espín el que nos dice qué es un fermión y qué un bosón.La forma de separarlos es por su espín – no el clásico giro de una peonza, sino el momento angular intrínseco, un concepto cuántico. El espín cuántico es entero (0, 1, 2…) o semientero (1/2, 3/2…). Los bosones tienen espín entero. Los fermiones semientero.“Hay una prueba matemática del teorema de estadística del espín, pero es tan oscura que tienes que ser un profesional en teoría cuántica de campos para entenderla”, dice Budker. “Todos los intentos de encontrar una explicación simple han fracasado, incluso los realizados por científicos de la talla de Richard Feynman. La prueba está basada en diferentes suposiciones, algunas explícitas y otras sutiles. Por esto, los tests experimentales son esenciales”.English dice que: “Si tuviéramos que derribar el teorema de estadística del espín, el edificio completo de la teoría cuántica de campos caería con él. Las consecuencias serían importantes, afectando a nuestras suposiciones sobre la estructura del espacio-tiempo e incluso la causalidad misma”.En busca de transiciones prohibidas
English y Budker, junto con Valeriy Yashchuk, científico miembro del Laboratorio de fuentes de luz avanzadas de Berkeley, intentan comprobar el teorema usando rayos láser para excitar electrones en átomos de bario. Para los experimentales, los átomos de bario tienen dos transiciones de dos fotones especialmente adecuadas, en las que los dos fotones son absorbidos simultáneamente, contribuyendo a llevar a los electrones a un estado de energía mayor.“Las transiciones de dos fotones no son raras”, dice English, “pero lo que las hace diferentes de las de un fotón es que sólo hay dos posibilidades de alcanzar el estado excitado final – dos caminos que difieren en el orden en que los fotones son absorbidos durante la transición. Estos caminos pueden interferir destructivamente o constructivamente. Uno de los factores que determina si la interferencia es constructiva o destructiva es si los bosones son fermiones o bosones”.En la transición de dos fotones de bario que los investigadores usaron, el teorema de estadística del espín prohíbe la transición cuando los dos fotones tienen la misma longitud de onda. Estas transiciones de dos fotones prohibidas están permitidas por todas las leyes de conservación permitidas excepto el teorema de estadística de espín. Lo que English, Yashchuk y Budker estaban buscando eran excepciones a esta regla, o como dice English, “bosones actúando como fermiones”.El experimento comienza con un flujo de átomos de bario; se apuntan dos láseres a dicho haz en sentidos opuestos para prevenir efectos indeseados asociados con el retroceso atómico. Los láseres se sintonizan a la misma frecuencia pero con polarizaciones opuestas, lo que es necesario para conservar el momento angular. Si las transiciones prohibidas fueran causadas por dos fotones de la misma longitud de onda de los dos láseres, serían detectados cuando los átomos emitieran una luz fluorescente de un color determinado.Los investigadores sintonizaron cuidadosa y repetidamente los láseres en las regiones prohibidas de dos fotones, y si alguna se diera, sería detectada. Y no detectaron nada. Estos rigurosos resultados limitan la probabilidad de que dos fotones cualquiera pudieran violar el teorema espín-estadística: las posibilidades de que dos fotones estén en un estado fermiónico no son mejores que una en 10¹¹ – de lejos el test mas sensible a bajas energías, que puede ser más sensible que experimentos realizados en colisionadores de partículas de altas energías.Budker insiste en que éste fue “un experimento compacto de verdad, capaz de hacer descubrimientos significativos en física de partículas sin gastar miles de millones de dólares”. El prototipo fué ideado originalmente por Budker y David DeMille, ahora en Yale, quienes en 1999 fueron capaces de limitar severamente la probabilidad de los fotones de estar en un estado “incorrecto” (fermiónico). El último experimento, llevado a cabo en la universidad de Berkeley, usa un método más refinado y mejora el anterior resultado en más de tres órdenes de magnitud.“Seguimos buscando, porque los tests experimentales con sensibilidades mayores están motivados por la importancia fundamental de la estadística cuántica”, dice Budker. “La conexión de estadística del espín es una de las suposiciones más básicas en nuestro entendimiento de las leyes fundamentales de la naturaleza”.“El test espectroscópico de la estadística de Bose-Einstein para fotones”, por Damon English, Valeriy Yashchuk y Dmitry Budker, aparece en el número 25 de junio de la revista Physical Review Letters, y está disponible en la red. La investigación ha sido financiada por la Fundación Nacional de Ciencia.
Fuente:  http://www.cienciakanija.com/2010/06/29/probando-la-mejor-teoria-de-la-naturaleza-hasta-el-momento/Añadir