La electrodinámica cuántica ( QED ), una teoría relativista de campos cuánticos de la electrodinámica, se encuentra entre las teorías de la física más rigurosamente probadas. Las pruebas más precisas y específicas de QED consisten en mediciones de la constante electromagnética de estructura fina , α , en varios sistemas físicos. Verificar la coherencia de tales mediciones pone a prueba la teoría.
Las pruebas de una teoría normalmente se llevan a cabo comparando resultados experimentales con predicciones teóricas. En QED, hay cierta sutileza en esta comparación, porque las predicciones teóricas requieren como entrada un valor extremadamente preciso de α , que sólo puede obtenerse a partir de otro experimento QED de precisión. Debido a esto, las comparaciones entre teoría y experimento suelen citarse como determinaciones independientes de α . Luego, la QED se confirma en la medida en que estas mediciones de α de diferentes fuentes físicas concuerden entre sí.
La concordancia encontrada de esta manera es de diez partes en mil millones (10 −8 ), según la comparación del momento dipolar magnético anómalo del electrón y la constante de Rydberg a partir de las mediciones del retroceso del átomo como se describe a continuación. Esto convierte a la QED en una de las teorías físicas más precisas construidas hasta el momento.
Además de estas mediciones independientes de la constante de estructura fina, también se han probado muchas otras predicciones de QED.
Se han realizado pruebas de precisión de QED en experimentos de física atómica de baja energía, experimentos de colisionadores de alta energía y sistemas de materia condensada . El valor de α se obtiene en cada uno de estos experimentos ajustando una medición experimental a una expresión teórica (incluidas correcciones radiativas de orden superior ) que incluye α como parámetro. La incertidumbre en el valor extraído de α incluye incertidumbres tanto experimentales como teóricas. Por lo tanto, este programa requiere tanto mediciones de alta precisión como cálculos teóricos de alta precisión. A menos que se indique lo contrario, todos los resultados a continuación se han tomado de. [1]
La medición más precisa de α proviene del momento dipolar magnético anómalo , o g −2 (pronunciado "g menos 2"), del electrón . [2] Para realizar esta medición se necesitan dos ingredientes:
En febrero de 2007, la mejor medición del momento dipolar magnético anómalo del electrón fue realizada por el grupo de Gerald Gabrielse en la Universidad de Harvard , utilizando un único electrón atrapado en una trampa de Penning . [3] La diferencia entre la frecuencia del ciclotrón del electrón y su frecuencia de precesión de espín en un campo magnético es proporcional a g −2. Una medición de precisión extremadamente alta de las energías cuantificadas de las órbitas del ciclotrón, o niveles de Landau , del electrón, en comparación con las energías cuantificadas de las dos posibles orientaciones de espín del electrón, da un valor para el factor g de espín del electrón : [3]
una precisión mejor que una parte en un billón. (Los dígitos entre paréntesis indican la incertidumbre estándar en los últimos dígitos enumerados de la medición).
El cálculo teórico de última generación actual del momento dipolar magnético anómalo del electrón incluye diagramas QED con hasta cuatro bucles. Combinando esto con la medición experimental de g se obtiene el valor más preciso de α : [4]
una precisión mejor que una parte en mil millones. Esta incertidumbre es diez veces menor que la del método rival más cercano que implica mediciones del retroceso atómico.
También se puede extraer un valor de α del momento dipolar magnético anómalo del muón . El factor g del muón se extrae utilizando el mismo principio físico que para el electrón anterior, es decir, que la diferencia entre la frecuencia del ciclotrón y la frecuencia de precesión del espín en un campo magnético es proporcional a g −2. La medición más precisa proviene del experimento muón g-2 del Laboratorio Nacional Brookhaven , [5] en el que muones polarizados se almacenan en un ciclotrón y su orientación de espín se mide por la dirección de sus electrones de desintegración. En febrero de 2007, la medición del factor g de muon promedio mundial actual es, [6]
una precisión mejor que una parte en mil millones. La diferencia entre los factores g del muón y del electrón se debe a su diferencia de masa. Debido a la mayor masa del muón, las contribuciones al cálculo teórico de su momento dipolar magnético anómalo a partir de interacciones débiles del Modelo Estándar y de contribuciones que involucran hadrones son importantes en el nivel actual de precisión, mientras que estos efectos no son importantes para el electrón. El momento dipolar magnético anómalo del muón también es sensible a las contribuciones de la nueva física más allá del Modelo Estándar , como la supersimetría . Por esta razón, el momento magnético anómalo del muón se utiliza normalmente como sonda para nueva física más allá del Modelo Estándar, en lugar de como prueba de QED. [7] Véase muon g –2 para conocer los esfuerzos actuales para perfeccionar la medición.
Este es un método indirecto de medir α , basado en mediciones de las masas del electrón, ciertos átomos y la constante de Rydberg . La constante de Rydberg se conoce con siete partes en un billón. La masa del electrón en relación con la de los átomos de cesio y rubidio también se conoce con una precisión extremadamente alta. Si la masa del electrón se puede medir con una precisión suficientemente alta, entonces α se puede encontrar a partir de la constante de Rydberg según
Para obtener la masa del electrón, este método en realidad mide la masa de un átomo de 87 Rb midiendo la velocidad de retroceso del átomo después de emitir un fotón de longitud de onda conocida en una transición atómica. Combinando esto con la relación entre el electrón y el átomo de 87 Rb, el resultado para α es, [8]
Debido a que esta medición es la siguiente en precisión después de la medición de α del momento dipolar magnético anómalo del electrón descrita anteriormente, su comparación proporciona la prueba más estricta de QED: el valor de α obtenido aquí está dentro de una desviación estándar del encontrado en el momento dipolar magnético anómalo del electrón, una concordancia dentro de diez partes en mil millones.
Este método de medir α es muy similar en principio al método del retroceso del átomo. En este caso se utiliza la relación de masas del electrón y del neutrón , conocida con precisión. La masa del neutrón se mide con gran precisión mediante una medición muy precisa de su longitud de onda Compton . Luego se combina con el valor de la constante de Rydberg para extraer α . El resultado es,
La división hiperfina es una división en los niveles de energía de un átomo causada por la interacción entre el momento magnético del núcleo y el momento magnético orbital y de espín combinado del electrón. La división hiperfina del hidrógeno , medida con el máser de hidrógeno de Ramsey , se conoce con gran precisión. Desafortunadamente, la influencia de la estructura interna del protón limita la precisión con la que se puede predecir teóricamente la división. Esto lleva a que el valor extraído de α esté dominado por la incertidumbre teórica:
La división hiperfina del muonio , un "átomo" formado por un electrón y un antimuón, proporciona una medición más precisa de α porque el muón no tiene estructura interna:
El desplazamiento de Lamb es una pequeña diferencia en las energías de los niveles de energía 2 S 1/2 y 2 P 1/2 del hidrógeno , que surge de un efecto de un bucle en la electrodinámica cuántica. El desplazamiento de Lamb es proporcional a α 5 y su medición arroja el valor extraído:
El positronio es un "átomo" formado por un electrón y un positrón . Mientras que el cálculo de los niveles de energía del hidrógeno ordinario está contaminado por incertidumbres teóricas derivadas de la estructura interna del protón, las partículas que componen el positronio no tienen estructura interna, por lo que se pueden realizar cálculos teóricos precisos. La medición de la división entre los niveles de energía 2 3 S 1 y 1 3 S 1 del positronio produce
Las mediciones de α también se pueden extraer de la tasa de desintegración del positronio. El positronio se desintegra mediante la aniquilación del electrón y el positrón en dos o más fotones de rayos gamma . La tasa de desintegración del estado singlete ("para-positronio") 1 S 0 produce
y la tasa de desintegración del triplete ("orto-positronio") 3 S 1 produce el estado
Este último resultado es la única discrepancia seria entre las cifras dadas aquí, pero hay alguna evidencia de que las correcciones cuánticas de orden superior no calculadas dan una gran corrección al valor aquí citado.
Las secciones transversales de reacciones QED de orden superior en colisionadores de electrones y positrones de alta energía proporcionan una determinación de α . Para comparar el valor extraído de α con los resultados de baja energía, se deben tener en cuenta los efectos QED de orden superior, incluido el funcionamiento de α debido a la polarización del vacío . Por lo general, estos experimentos solo logran una precisión de nivel porcentual, pero sus resultados son consistentes con las mediciones precisas disponibles a energías más bajas.
La sección transversal para e + e − → e + e − e + e − produce
y la sección transversal para e + e − → e + e − μ + μ − produce
El efecto Hall cuántico y el efecto AC Josephson son fenómenos exóticos de interferencia cuántica en sistemas de materia condensada. Estos dos efectos proporcionan una resistencia eléctrica estándar y una frecuencia estándar , respectivamente, que miden la carga del electrón con correcciones que son estrictamente cero para sistemas macroscópicos. [9]
El efecto Hall cuántico produce
y el efecto AC Josephson produce
