La Electrodinámica Cuántica (QED, por sus siglas en inglés) es una parte integral del modelo estándar de la física de partículas, que describe a las partículas elementales y sus interacciones. Por lo tanto, probarla en todos los escenarios posibles es crucial.
Para investigar las capacidades de la QED, Lötzsch y sus colegas recurrieron al uranio, que tiene 92 protones en su núcleo. Este núcleo ejerce un campo eléctrico tremendo, casi un millón de veces más fuerte que el de un núcleo de hidrógeno, y mucho más fuerte que cualquier campo que pueda ser producido por los seres humanos. Las pruebas se realizaron en uranio al que se le habían quitado todos sus electrones menos dos, creando un ion, o partícula cargada. Este ion de uranio se llama «uranio similar a un hidruro» porque los átomos de helio normalmente solo tienen dos electrones.
Lötzsch y sus colegas realizaron sus experimentos en el Centro de Investigación Helmholtz GSI en Darmstadt, Alemania, acelerando iones de uranio y enviándolos a través de una lámina de cobre, que repelió todos los electrones excepto uno de cada ion. Los iones de uranio, al pasar por gas nitrógeno, capturaron otro electrón, creando uranio similar a un hidruro: un núcleo de uranio unido a dos electrones. Este proceso dejó a cada ion de uranio con uno de sus dos electrones en un estado de alta energía. Estos electrones disminuyeron rápidamente su energía saltando entre niveles de energía. Al medir la emisión de rayos X de un salto específico, los investigadores determinaron la energía de este cambio.
La energía medida concordó con las predicciones basadas en la QED: la teoría se mantuvo.
En campos electromagnéticos fuertes, «la forma en que se calcula la QED cambia completamente en comparación con cómo se calcula en el caso de campos débiles», dice Lötzsch de la Universidad Friedrich Schiller en Jena, Alemania. En general, los cálculos de la QED deben tener en cuenta las interacciones de los electrones con partículas «virtuales» que constantemente aparecen y desaparecen, según la física cuántica. Esto se aplica tanto a interacciones individuales de este tipo como a dos (o más) interacciones. En campos electromagnéticos fuertes alrededor de los núcleos atómicos, el cálculo del efecto de dos interacciones se vuelve más complejo. En lugar de modificar ligeramente los cálculos, como es el caso del hidrógeno o el helio, el campo eléctrico los cambia radicalmente. Además, en el caso del uranio similar a un hidruro, también se deben calcular las interacciones de los dos electrones.
Los iones altamente cargados son «mini-laboratorios ideales que nos permiten comprender las leyes fundamentales de la física a nivel cuántico». Por lo tanto, los experimentos con uranio similar a un hidruro proporcionan una nueva perspectiva para comprender la electrodinámica cuántica en condiciones extremas.
Definiciones:
– Electrodinámica Cuántica (QED): teoría que describe las interacciones electromagnéticas a nivel de partículas elementales.
– Modelo estándar de física de partículas: teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones.
– Núcleo atómico: componente de un átomo que contiene protones y neutrones.
– Campo eléctrico: un área en la que se ejercen fuerzas eléctricas.
– Iones: partículas cargadas que se forman cuando un átomo pierde o gana un electrón.
– Física cuántica: rama de la física que describe el comportamiento de las partículas a nivel microscópico.
Enlaces relacionados:
– Modelo estándar de física de partículas
– Electrodinámica Cuántica
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