Una gran manera de medir la constante de estructura fina

La fuente de luz (izquierda) envía un haz de luz a través de un material especial, que cambia la dirección de polarización, en un ángulo obtenido por la constante de estructura fina. Crédito: Tatiana Lysenko/TU Wien

La constante de estructura fina es una constante fundamental de la naturaleza y su medición es crucial en la física. Recientemente, los investigadores de TU Wien descubrieron una forma única de medirlo.

El valor de uno sobre 137, también conocido como constante de estructura fina, es un número importante en física. Desempeña un papel importante en la física de átomos y partículas.

Mientras que la constante de estructura fina se mide tradicionalmente de forma indirecta a través de cálculos y mediciones de otras cantidades físicas, según los investigadores. Universidad Técnica de Viena Desarrollaron un experimento que permite la medición directa de la constante de estructura fina en forma de ángulo.

1/137 – El Código Secreto del Universo

La constante de estructura fina describe la fuerza de la interacción electromagnética. Se refiere a la forma en que las partículas fuertemente cargadas, como los electrones, interactúan con los campos electromagnéticos. Si la constante de estructura fina tuviera un valor diferente, nuestro universo se vería completamente diferente: los átomos tendrían un tamaño diferente, por lo que toda la química funcionaría de manera diferente, y la fusión nuclear en las estrellas también sería muy diferente.

Una pregunta muy discutida es si la constante de estructura fina es realmente constante o si podría cambiar su valor ligeramente durante miles de millones de años.

Mediciones directas en lugar de cálculos

“La mayoría de las constantes físicas más importantes tienen una unidad específica, por ejemplo, la velocidad de la luz, que se puede dar en metros por segundo”, dice el profesor Andrei Pimenov del Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien. «Es diferente con la constante de estructura fina. No tiene una unidad, es solo un número, sin dimensiones».

Pero normalmente, cuando se mide la estructura fina, se deben medir diferentes cantidades en diferentes unidades físicas, y luego el valor de la constante de estructura fina se deduce de estos resultados. “En nuestra experiencia, por otro lado, la constante de estructura fina en sí misma se vuelve directamente visible”, dice Andrei Pimenov.

Una película delgada que hace circular la luz.

El rayo láser está polarizado linealmente: la luz oscila exactamente en la dirección vertical. Luego, el rayo golpea una capa de un material especial de solo unos pocos nanómetros de espesor. Esta sustancia tiene la propiedad de cambiar la dirección de polarización de la luz.

«El material que rodea la polarización de un rayo láser no es nada inusual en sí mismo. Diferentes materiales pueden hacer esto; cuanto más gruesa es la capa de material, mayor es la polarización del láser. Pero aquí estamos lidiando con un efecto completamente diferente», explica Andréi Pimenov. «En nuestro caso, la polarización no gira continuamente, sino que salta».

Al atravesar la película delgada, la dirección de polarización de la luz provoca un salto cuántico. Después de atravesarlo, la onda de luz oscila en una dirección diferente a la anterior. Y cuando se calcula la magnitud de este salto, surge un resultado sorprendente: la cantidad de este cambio angular es exactamente la constante de estructura fina.

“Así que tenemos acceso directo a algo bastante extraordinario: la cantidad de efectos”, dice Andrei Pimenov. «La constante de estructura fina se vuelve inmediatamente visible como un ángulo».

Referencia: «Escala de giro global a través del efecto Hall anómalo cuántico» por Alexei Shuvaev, Li Pan, Lixuan Tai, Peng Zhang, Kang L. Wang y Andrei Pimenov, 7 de noviembre de 2022, disponible aquí. Letras de Física Aplicada.
doi: 10.1063/5.0105159

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