Una macchina a condensazione Bose-Einstein metastabile a elio. Credito:Tracey Nearmy, Australian National University
I fisici dell'Australian National University hanno sviluppato il metodo più sensibile in assoluto per misurare l'energia potenziale di un atomo (entro un centesimo di decimilionesimo di joule, o 10 -35 joule) e lo ha utilizzato per convalidare una delle teorie più testate in fisica:l'elettrodinamica quantistica (QED).
La ricerca, pubblicata questa settimana su Scienza si basa sulla ricerca del colore della luce laser in cui un atomo di elio è invisibile ed è una conferma indipendente dei metodi precedenti utilizzati per testare la QED, che hanno comportato la misurazione delle transizioni da uno stato di energia atomica all'altro.
"Questa invisibilità è solo per un atomo specifico e uno specifico colore di luce, quindi non potrebbe essere usata per creare un mantello dell'invisibilità che Harry Potter userebbe per indagare sugli angoli oscuri di Hogwarts", ha detto l'autore principale, Bryce Henson, Ph. .D. studente presso ANU Research School of Physics.
"Ma siamo stati in grado di utilizzare per indagare alcuni angoli oscuri della teoria QED."
"Speravamo di riuscire a cogliere la QED, perché ci sono state alcune precedenti discrepanze tra teoria ed esperimenti, ma è stata superata con un voto abbastanza buono."
L'elettrodinamica quantistica, o QED, è stata sviluppata alla fine degli anni '40 e descrive come la luce e la materia interagiscono, incorporando sia la meccanica quantistica che la teoria della relatività speciale di Einstein in un modo che ha avuto successo per quasi ottant'anni.
Tuttavia, i suggerimenti che la teoria della QED necessitava di qualche miglioramento provenivano dalle discrepanze nelle misurazioni delle dimensioni del protone, che sono state per lo più risolte nel 2019.
In questo periodo ANU Ph.D. Lo studioso Bryce Henson ha notato piccole oscillazioni in un esperimento molto sensibile che stava conducendo su una nuvola di atomi ultrafredda nota come condensato di Bose-Einstein.
Ha misurato la frequenza delle oscillazioni con una precisione record, scoprendo che le interazioni tra gli atomi e la luce laser hanno modificato la frequenza, poiché il colore del laser era variato.
Si rese conto che questo effetto poteva essere sfruttato per determinare in modo molto accurato il colore preciso in cui gli atomi non interagivano affatto con il laser e l'oscillazione rimaneva invariata, in altre parole diventando effettivamente invisibile.
Con la combinazione di un laser ad altissima risoluzione e atomi raffreddati a 80 miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto (80 nanokelvin), il team ha raggiunto una sensibilità nelle misurazioni dell'energia che era di 5 ordini di grandezza inferiore all'energia degli atomi, circa 10 –35 joule, o una differenza di temperatura di circa 10 -13 di grado kelvin.
"È così piccolo che non riesco a pensare a nessun fenomeno con cui confrontarlo:è così lontano dalla fine della scala", ha affermato Henson.
Con queste misurazioni il team è stato in grado di dedurre valori molto precisi per il colore dell'invisibilità dell'elio. Per confrontare i loro risultati con la previsione teorica per la QED, si sono rivolti al professor Li-Yan Tang dell'Accademia cinese delle scienze di Wuhan e al professor Gordon Drake dell'Università di Windsor in Canada.
I precedenti calcoli che utilizzavano la QED avevano meno incertezza rispetto agli esperimenti, ma con la nuova tecnica sperimentale che migliorava l'accuratezza di un fattore 20, i teorici hanno dovuto raccogliere la sfida e migliorare i loro calcoli.
In questa ricerca hanno avuto più che successo, migliorando la loro incertezza a un mero 1/40 dell'ultima incertezza sperimentale e individuando il contributo della QED alla frequenza di invisibilità dell'atomo che era 30 volte maggiore dell'incertezza dell'esperimento. Il valore teorico era solo leggermente inferiore al valore sperimentale di 1,7 volte l'incertezza sperimentale.
Il leader della collaborazione internazionale, il professor Ken Baldwin dell'ANU Research School of Physics, ha affermato che i miglioramenti all'esperimento potrebbero aiutare a risolvere la discrepanza, ma anche perfezionare uno strumento straordinario che potrebbe illuminare la QED e altre teorie.
"I nuovi strumenti per misurazioni di precisione spesso determinano grandi cambiamenti nella comprensione teorica lungo il percorso", ha affermato il professor Baldwin. + Esplora ulteriormente
