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Experimento de Hughes-Drever

7 Li Espectro de RMN de LiCl (1M) en D 2 O. La línea de RMN nítida y no dividida de este isótopo de litio es evidencia de la isotropía de la masa y el espacio.

Los experimentos de Hughes-Drever (también experimentos de comparación de relojes , anisotropía de reloj , isotropía de masa o isotropía de energía ) son pruebas espectroscópicas de la isotropía de la masa y el espacio . Aunque originalmente se concibieron como una prueba del principio de Mach , ahora se entienden como una prueba importante de la invariancia de Lorentz . Como en los experimentos de Michelson-Morley , se puede probar la existencia de un marco de referencia preferido u otras desviaciones de la invariancia de Lorentz, lo que también afecta la validez del principio de equivalencia . Por tanto, estos experimentos se refieren a aspectos fundamentales de la relatividad especial y general . A diferencia de los experimentos de tipo Michelson-Morley, los experimentos de Hughes-Drever prueban la isotropía de las interacciones de la materia misma, es decir, de protones , neutrones y electrones . La precisión lograda hace de este tipo de experimento una de las confirmaciones más precisas de la relatividad (ver también Pruebas de relatividad especial ). [Un 1] [Un 2] [Un 3] [Un 4] [Un 5] [Un 6]

Experimentos de Hughes y Drever

Giuseppe Cocconi y Edwin Ernest Salpeter (1958) teorizaron que la inercia depende de las masas circundantes según el principio de Mach . Por tanto, una distribución no uniforme de la materia conduciría a una anisotropía de inercia en diferentes direcciones. Los argumentos heurísticos los llevaron a creer que cualquier anisotropía inercial, si existiera, estaría dominada por contribuciones de masa desde el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea . Argumentaron que esta anisotropía podría observarse de dos maneras: midiendo la división de Zeeman en un átomo [1] o midiendo la división de Zeeman en el estado nuclear excitado de57feutilizando el efecto Mössbauer . [2]

Vernon W. Hughes et al. (1960) [3] y Ronald Drever (1961) [4] realizaron de forma independiente experimentos espectroscópicos similares para probar el principio de Mach. Sin embargo, no utilizaron el efecto Mössbauer, sino que realizaron mediciones por resonancia magnética del núcleo de litio -7, cuyo estado fundamental posee un espín de 3 ⁄ 2 . El estado fundamental se divide en cuatro niveles de energía magnética igualmente espaciados cuando se mide en un campo magnético de acuerdo con su número cuántico magnético permitido . Las funciones de onda nuclear para los diferentes niveles de energía tienen diferentes distribuciones espaciales con respecto al campo magnético y, por lo tanto, tienen diferentes propiedades direccionales. Si se satisface la isotropía de masa, cada transición entre un par de niveles adyacentes debería emitir un fotón de igual frecuencia, lo que daría como resultado una línea espectral única y nítida. Por otro lado, si la inercia tiene una dependencia direccional, se debe observar un triplete o línea de resonancia ensanchada. Durante las 24 horas que duró la versión del experimento de Drever, la Tierra giró y el eje del campo magnético barrió diferentes secciones del cielo. Drever prestó especial atención al comportamiento de la línea espectral cuando el campo magnético cruzaba el centro de la galaxia. [A 7] Ni Hughes ni Drever observaron ningún cambio de frecuencia de los niveles de energía y, debido a la alta precisión de sus experimentos, la anisotropía máxima pudo limitarse a 0,04  Hz = 10 −25  GeV .

En cuanto a las consecuencias del resultado nulo para el principio de Mach, Robert H. Dicke (1961) demostró que está de acuerdo con este principio, siempre que la anisotropía espacial sea la misma para todas las partículas. Por lo tanto, el resultado nulo muestra más bien que los efectos de la anisotropía inercial son, si existen, universales para todas las partículas y no observables localmente. [5] [6]

Interpretación moderna

Si bien la motivación de este experimento fue probar el principio de Mach, desde entonces ha sido reconocido como una prueba importante de la invariancia de Lorentz y, por tanto, de la relatividad especial . Esto se debe a que los efectos de anisotropía también ocurren en presencia de un marco de referencia preferido que viola Lorentz, generalmente identificado con el marco de reposo CMBR como una especie de éter luminífero (velocidad relativa de aproximadamente 368 km/s). Por lo tanto, los resultados negativos de los experimentos de Hughes-Drever (así como de los experimentos de Michelson-Morley ) descartan la existencia de tal marco. En particular, las pruebas de Hughes-Drever de violaciones de Lorentz a menudo se describen mediante una teoría de prueba de la relatividad especial propuesta por Clifford Will . Según este modelo, las violaciones de Lorentz en presencia de marcos preferidos pueden dar lugar a diferencias entre la velocidad máxima alcanzable de partículas masivas y la velocidad de la luz. Si fueran diferentes, las propiedades y frecuencias de las interacciones de la materia también cambiarían. Además, una consecuencia fundamental del principio de equivalencia de la relatividad general es que la invariancia de Lorentz se mantiene localmente en marcos de referencia que se mueven libremente = invariancia de Lorentz local (LLI). Esto significa que los resultados de este experimento se refieren tanto a la relatividad especial como a la general. [A 1] [A 2]

Debido a que se comparan diferentes frecuencias ("relojes"), estos experimentos también se denominan experimentos de comparación de relojes. [A 3] [A 4]

Experimentos recientes

Además de violaciones de Lorentz debidas a un marco preferido o influencias basadas en el principio de Mach, también se buscan violaciones espontáneas de la invariancia de Lorentz y de la simetría CPT , motivadas por las predicciones de varios modelos de gravedad cuántica que sugieren su existencia. Se han realizado actualizaciones modernas de los experimentos de Hughes-Drever estudiando posibles violaciones de Lorentz y CPT en neutrones y protones . Utilizando sistemas polarizados por espín y comagnetómetros (para suprimir las influencias magnéticas), se ha aumentado considerablemente la precisión y sensibilidad de estos experimentos. Además, mediante el uso de balanzas de torsión polarizadas por espín, también se ha probado el sector de electrones . [A 5] [A 6]

Todos estos experimentos hasta ahora han dado resultados negativos, por lo que todavía no hay señales de la existencia de un marco preferido o cualquier otra forma de violación de Lorentz. Los valores de la siguiente tabla están relacionados con los coeficientes dados por la Extensión del modelo estándar (SME), una teoría de campo efectiva de uso frecuente para evaluar posibles violaciones de Lorentz (ver también otras teorías de prueba de la relatividad especial ). A partir de eso, cualquier desviación de la invariancia de Lorentz puede relacionarse con coeficientes específicos. Dado que en esos experimentos se prueban una serie de coeficientes, sólo se proporciona el valor de sensibilidad máxima (para datos precisos, consulte los artículos individuales): [A 3] [A 8] [A 4]

Fuentes secundarias

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Fuentes primarias

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