Prueba ultra-precisa confirma que los fotones son bosones

Físicos en los EE.UU. han llevado a cabo una prueba muy precisa de la una de las piedras angulares de la física moderna, la idea de que los dos tipos de partículas fundamentales, los bosones y fermiones, siguen dos tipos distintos de comportamiento estadístico

El experimento basado en láser confirmó que los fotones se comportan de acuerdo a las estadísticas de Bose-Einstein, reduciendo las probabilidades de que los fotones podían ser, en realidad, fermiones, en un factor de 1.000 en comparación con las pruebas anteriores.

La física nos dice que las partículas fundamentales se presentan en dos variedades básicas: los bosones, que tienen valores enteros de momento angular intrínseco o «spin», y los fermiones, que tienen espín semientero. Los bosones son partículas portadoras de fuerza, como el fotón, W y Z, y siguen la estadística de Bose-Einstein. Una consecuencia importante de esto es que muchos bosones idénticos pueden ocupar el mismo estado cuántico, dando lugar a fenómenos tales como los condensados de Bose-Einstein y el láser.

Entre los fermiones se incluyen las partículas fundamentales de la materia como los quarks y los electrones, y obedecen el comportamiento de Fermi-Dirac. No pueden existir fermiones idénticos en el mismo estado cuántico, lo que nos da la estructura de capas de los átomos y, con ella, la química.

No hay explicación simple

El principio de que las partículas de espín entero se rigen por la estadística de Bose-Einstein, mientras que las partículas de espín semientero muestran un comportamiento de Fermi-Dirac se ha demostrado con las matemáticas de la teoría cuántica de campos. Pero algunos físicos, incluido el difunto Richard Feynman, se han preocupado por el hecho de que no hay una explicación sencilla para esta conexión, y porque se basa en muchos supuestos, algunos establecidos y otros implícitos. De hecho, se ha especulado que estos supuestos no se podrán sostener en teorías físicas más generales, como la teoría de cuerdas.

Dmitry Budker y Damon English, de la Universidad de California en Berkeley, decidieron que pondríam a prueba este principio, conocido como el teorema de estadística de espin, con la mayor precisión posible. Ellos sabían que eran pequeños las posibilidades de refutar la teoría, pero entendieron que era importante llevar a cabo el experimento de todos modos. Como Budker señala, no se había previsto el descubrimiento de la violación de CP en la física de partículas, y «no tenía ningún atractivo teórico inmediata», pero ahora es uno de los principales ingredientes en la explicación de por qué el universo parece contener mucha más materia que antimateria. «Nuestro experimento es de muy alto riesgo, pero con una ganancia muy alta», dice, «es muy poco probable que refutemos la teoría, pero si lo hiciéramos, sería un descubrimiento revolucionario».

Para demostrar la idea, los investigadores trucaron esta foto, en la que Dmitry Budker (de suéter marrón claro) es un fermión y Damon English (de negro y azul) un bosón (se lo puede ver en varias versiones de sí mismo ocupando lugares en la misma escena)

Budker e English, junto con Valeriy Yashchuk del Lawrence Berkeley National Laboratory, investigaron una clase particular de absorción de dos fotones por átomos de bario en el que el momento angular total de los átomos pasa 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 si la función de onda es simétrica (con respecto al intercambio de partículas) como en el caso de los bosones idénticos. En otras palabras, si los fotones son bosones debe ser imposible de llevar a cabo este proceso de absorción especial para parejas de fotones de la misma frecuencia.

Ninguna absorción

Los investigadores dispararon dos haces de láser verde desde direcciones opuestas en un haz de átomos de bario contenido dentro de una cavidad óptica, con la energía combinada de un par de fotones (compuesto por un fotón de cada uno de los haces) igual a la absorción de energía del bario. Encontraron que cuando las frecuencias de los dos haces son ligeramente diferentes entre sí la absorción se produce, algo que observaron al medir los fotones emitidos en la subsiguiente des-excitación del bario. Pero ellos no observaron esta absorción cuando las frecuencias fueron idénticas, lo que demuestra que realmente fotones son bosones.

Budker y David DeMille, ahora en la Universidad de Yale, publicaron los resultados de un experimento similar realizado en 1999, que también demostró que los fotones se comportan como bosones.Sin embargo, esta prueba reciente es mucho más precisa gracias a las mejoras en la situación experimental, y reduce la incertidumbre en el resultado en más de tres órdenes de magnitud, lo cual demuestre que el resultado es mejor que cuatro partes de 1011 a un nivel de confianza del 90 %. Según Budker, la precisión se puede mejorar 100-1.000 veces mejora ndode la estabilidad de los láseres y mejorando la eficiencia y reduciendo el ruido del detector de fotones.

Beneficios prácticos

Budker añade que el experimento podría incluso tener beneficios prácticos. Él dice que ellos pudieron medir un previamente observado y extremadamente débil tipo de transición de dos fotones habilitado por una interacción hiperfina, y que esta transición se podría utilizar en nuevos tipos de relojes atómicos.

El trabajo se describe en Phys. Rev. Lett.

El autor de este artículo, Edwin Cartlidge, es un escritor de ciencia con sede en Roma

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti

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