Investigadores del Max-Planck-Institut für Kernphysik han presentado nuevos resultados experimentales y teóricos sobre el g-factor del electrón unido en iones de estaño con estructura similar al litio. Este trabajo, que se publica en la revista Science, destaca por alcanzar una precisión experimental de 0,5 partes por mil millones.
Avances en la electrodinámica cuántica
La electrodinámica cuántica (QED) es la teoría fundamental que describe todos los fenómenos electromagnéticos, incluyendo la luz. Se considera la teoría más rigurosamente probada en física, con test realizados hasta 0,1 partes por mil millones. Sin embargo, su fortaleza impulsa a los físicos a someterla a pruebas aún más exigentes y a explorar sus límites. Cualquier desviación significativa de las predicciones podría indicar la existencia de nueva física.
La QED describe la interacción electromagnética entre partículas cargadas mediante el intercambio de fotones «virtuales», lo que permite a los electrones en un átomo comunicarse entre sí y con el núcleo. Además, se ha descubierto que el vacío físico no está vacío, sino lleno de partículas virtuales que aparecen y desaparecen continuamente, de acuerdo con los límites establecidos por el principio de incertidumbre de la física cuántica.
Uno de los enfoques más avanzados para estudiar fenómenos de QED es el g-factor del electrón, que describe la relación entre su momento angular intrínseco (spin) y sus propiedades magnéticas. Según la teoría de Dirac, el g-factor del electrón libre debería ser exactamente 2. Sin embargo, diversas interacciones de QED modifican este valor, generando una pequeña pero medible desviación.
En un trabajo colaborativo, los investigadores del Max Planck han estudiado el g-factor del electrón más externo en iones de estaño con estructura similar al litio, un sistema que añade las interacciones con los dos electrones fuertemente ligados del núcleo atómico interno.
Resultados experimentales y teóricos
La medición del g-factor se llevó a cabo utilizando la trampa Penning ALPHATRAP en condiciones criogénicas. El fuerte campo magnético en la trampa induce un movimiento característico del ion, así como una precesión del spin del electrón externo. El g-factor se extrae de la relación entre la frecuencia de movimiento del ion y la frecuencia de precesión, eliminando el campo magnético de la ecuación.
Los resultados experimentales han determinado un g-factor de:
gexp = 1.980 354 799 750(84)stat(54)sys(944)ext
Con un total de incertidumbres estadísticas, sistemáticas y externas. Estas últimas están dominadas por la incertidumbre en la masa del ion, que actualmente limita la precisión experimental. La concordancia entre el resultado experimental y la predicción teórica es notable, lo que sugiere una mejora significativa en la precisión experimental.
En el futuro, las mediciones de sistemas más pesados como 208Pb79+ y los avances esperados en cálculos de QED de dos bucles proporcionarán pruebas aún más robustas en el régimen de campos eléctricos fuertes utilizando iones altamente cargados.
Los métodos teóricos avanzados desarrollados en este estudio para los efectos interelectrónicos de QED pueden aplicarse a cálculos de g-factors de iones más complejos y a transiciones que rompen la conservación de paridad en átomos neutros.
