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Prueba de la Mejor-Todavía Teoría de la Naturaleza

Published on June 24, 2010 at 9:26 PM

La mejor teoría para explicar el mundo subatómico consiguió su comienzo en 1928 cuando el teórico Paul Dirac combinó la mecánica cuántica con relatividad especial para explicar el comportamiento del electrón. El resultado era la mecánica cuántica relativista, que se convirtió en un ingrediente importante en teoría de campo de quantum. Con algunas suposiciones y ajustes ad hoc, la teoría de campo de quantum ha demostrado bastante potente formar la base del Modelo Estándar de partículas y de fuerzas.

Dos opusieron los rayos laser, idénticos a excepción de la polarización, tentativa de excitar transiciones prohibidas del dos-fotón en un haz de los átomos del bario. (Inglés de Damon de la Imagen)

“Sin embargo, debe ser recordado que el Modelo Estándar no es una teoría final de todos los fenómenos, y es por lo tanto intrínsecamente incompleto,” dice Dmitry Budker, científico del estado mayor en la División de Ciencia Nuclear del Ministerio de los E.E.U.U. de Laboratorio Nacional de Lorenzo Berkeley de la Energía y profesor de la física en la Universidad de California en Berkeley.

Budker ha estado interesado de largo en la prueba de apuntalamientos extensamente validados de la teoría física a sus límites. En la aplicación del 25 de junio las Cartas Físicas de la Revista, él y sus colegas señalan las juicios más rigurosas con todo de una suposición fundamental sobre cómo las partículas se comportan en la escala atómica.

Porqué necesitamos el teorema de las barrena-estadísticas

“Probamos uno de los pilares teóricos mayores de la teoría de campo de quantum, el teorema de las barrena-estadísticas,” dice el ex-estudiante del Inglés, de Budker de Damon y a un becario postdoctoral en el Departamento de la Física del UC, que llevó el experimento. “Esencialmente pedíamos, somos bosones realmente perfectos de los fotones?”

El teorema de las barrena-estadísticas dicta que todas las partículas fundamentales se deben clasificar en uno de dos tipos, fermios o bosones. (Los nombres vienen de las estadísticas, de las estadísticas de Fermi-Dirac y de las estadísticas de Bose-Einstein, que explican sus comportamientos respectivos.)

Ningunos dos electrones pueden estar en el mismo estado de quantum. Por ejemplo, ningunos dos electrones en un átomo pueden tener conjuntos idénticos de números de quantum. Cualquier número de bosones puede ocupar el mismo estado de quantum, sin embargo; entre otros fenómenos, esto es qué hace rayos laser posibles.

Los Electrones, los neutrones, los protones, y muchas otras partículas de la materia son fermios. Los Bosones son un manojo decididamente mezclado que incluye los fotones de la fuerza electromágnetica, los bosones de W y de Z de la fuerza débil, y partículas tales de la materia como núcleos del deuterio, mesones del pi, y un balsa de otros. Dado el pandemónium en este parque zoológico de la partícula, toma el teorema de las barrena-estadísticas para informar cuál es un fermio y cuál es un bosón.

La manera de informarles aparte está por su barrena - no la barrena clásica de una parte superior girante pero del impulso angular intrínseco, un concepto del quantum. La barrena de Quantum es cualquier número entero (0, 1, 2…) o medio número entero, un número impar de las mitades (el 1/2, 3/2…). Los Bosones tienen barrena del número entero. Los Fermios tienen media barrena del número entero.

“Hay una prueba matemática del teorema de las barrena-estadísticas, pero es tan abstruso usted tiene que ser un teórico profesional del campo de quantum para entenderlo,” dice Budker. “Cada tentativa de encontrar una explicación simple ha fallado, incluso por los científicos tan distinguidos como Richard Feynman. La prueba sí mismo se basa en las suposiciones, algún explícito, algo sutil. Por eso las pruebas experimentales son esenciales.”

Dice Inglés, “Si golpeáramos hacia abajo el teorema de las barrena-estadísticas, el edificio entero de la teoría de campo de quantum vendría causando un crash hacia abajo con él. Las consecuencias serían de gran envergadura, afectando a nuestras suposiciones sobre la estructura del espacio-tiempo e incluso de la causalidad sí mismo.”

En busca de transiciones prohibidas

Inglés y Budker, trabajando con Valeriy Yashchuk, un científico del estado mayor en la Fuente De Luz Avance del Laboratorio de Berkeley, establecida para probar el teorema usando rayos laser para excitar los electrones en átomos del bario. Para los experimentadores, los átomos del bario tienen determinado transiciones convenientes del dos-fotón, en las cuales dos fotones se absorben simultáneamente y juntos contribuyen a levantar los electrones de un átomo a un estado de una energía más alta.

las “transiciones del Dos-Fotón no son raras,” dice el Inglés, “pero qué lo hace diferente de transiciones de fotón único es que puede haber dos caminos posibles al estado emocionado final - dos caminos que difieran por la orden en la cual los fotones se absorben durante la transición. Estos caminos pueden interferir, destructivo o constructivo. Uno de los factores que determina si la interferencia es constructiva o destructiva es si los fotones son bosones o fermios.”

En la transición determinada del dos-fotón del bario los investigadores usados, el teorema de las barrena-estadísticas prohíben la transición cuando los dos fotones tienen la misma longitud de onda. Estas transiciones prohibidas del dos-fotón son permitidas por cada ley de protección sabida excepto el teorema de las barrena-estadísticas. Qué Inglés, Yashchuk, y Budker buscaba estaban las anomalías a esta regla, o como el Inglés la pone, los “bosones que actuaban como los fermios.”

El experimento comienza con una secuencia de los átomos del bario; dos laseres se dirigen le de las caras opuestas para prevenir los efectos indeseados asociados a rechazo atómico. Los laseres se sintonizan a la misma frecuencia pero tienen enfrente de la polarización, que es necesaria preservar impulso angular. Si las transiciones prohibidas fueran causadas por dos fotones de la mismo-longitud de onda de los dos laseres, serían detectadas cuando los átomos emiten un color determinado de la luz fluorescente.

Los investigadores cuidadosamente y sintonizado en varias ocasiones con la región donde las transiciones prohibidas del dos-fotón, si ningunas fueran ocurrir, se revelarían. No detectaron nada. Estos resultados rigurosos limitan la probabilidad que cualquier dos fotones podrían violar el teorema de las barrena-estadísticas: las ocasiones que dos fotones estén en un estado fermionic sean no mejores de uno en cientos mil millones - con mucho la prueba más sensible con todo en las energías inferiores, que bien pueden ser más sensibles que pruebas similares de los colliders de alta energía de la partícula.

Budker acentúa que esto era “un experimento tablero verdadero, capaz de hacer descubrimientos importantes en física de partículas sin gastar mil millones de dólares.” Su prototipo fue ideado originalmente por Budker y David DeMille, ahora en Yale, que podía en 1999 limitar seriamente la probabilidad de los fotones que estaban en un estado (fermionic) “incorrecto”. El último experimento, conducto en Uc Berkeley, utiliza un método refinado y mejora en el resultado anterior por más de tres órdenes de magnitud.

“Guardamos el observar, porque las pruebas experimentales en la sensibilidad cada vez mayor son motivadas por la importancia fundamental de las estadísticas del quantum,” decimos Budker. “La conexión de las barrena-estadísticas es una de las suposiciones más básicas de nuestra comprensión de las leyes de la naturaleza fundamentales.”

La “prueba Espectroscópica de las estadísticas de Bose-Einstein para los fotones,” por el Inglés de Damon, Valeriy Yashchuk, y Dmitry Budker, aparece en la aplicación del 25 de junio las Cartas Físicas de la Revista y es accesible en línea. La investigación fue utilizada por el National Science Foundation.

Last Update: 12. January 2012 01:14

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