Cómo explorar el Modelo Estándar sin necesidad del LHC.

Conocemos cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la electromagnética, la nuclear débil, la nuclear fuerte y la gravedad. La interacción entre los electrones y los núcleos en los átomos es predominantemente electromagnética, pero hay pequeños efectos de la fuerza débil. La fuerza débil sólo actúa a distancias menores al 0,1% del diámetro del protón, y sus efectos en un átomo son muchos órdenes de magnitud menores que los de la fuerza electromagnética. Por ello, la interacción débil sólo puede ser detectada con experimentos de extrema precisión. Ahora, Konstantin Tsigutkin y sus colegas de la Universidad de California en Berkeley (EE.UU.) informan en Physical Review Letters de un experimento con iterbio (elemento químico de símbolo Yb) en el que se ha observado el mayor efecto en átomos de la interacción débil hasta la fecha. El grupo de Berkeley realizó mediciones con láser para determinar cómo la fuerza débil, que modifica muy ligeramente las interacciones entre los electrones y el núcleo, afecta al estado fundamental del Yb. Las interacciones observadas son 100 veces mayores de las que se habían observado en el cesio (Cs), el elemento en el que se hicieron las primeras mediciones y en el que se han hecho las más precisas determinaciones de los efectos de la interacción débil. El hallazgo de un efecto tan grande en el Yb anima a seguir buscando interacciones de la fuerza débil en otros átomos pesados y representa en sí mismo una oportunidad para usar técnicas de física atómica a nivel de laboratorio para investigar una nueva física más allá del modelo estándar sin recurrir a costosísimos aceleradores de partículas.

Sabemos que la materia consiste de fermiones: los leptones como el electrón, y los quarks, que forman hadrones como los protones y los neutrones. Las fuerzas entre partículas de materia se ejercen por mediación del intercambio de bosones de gauge: el fotón (sin masa) para la interacción electromagnética, los bosones Z⁰, W⁺, y W^- (con masa) para la débil, y ocho gluones para la fuerte. Una consecuencia del modelo estándar es que las interacciones electromagnética y la débil son meras manifestaciones diferentes de una única fuerza electrodébil. Esta unificación fue la que llevó a la predicción de la existencia del bosón Z⁰, que fue observado posteriormente tanto en los experimentos de dispersión de neutrinos de alta energía como en átomos a baja energía. El intercambio del bosón Z⁰ en los átomos entre los electrones y el núcleo se asocia con una violación de la paridad (simetría) lo que se manifiesta, por ejemplo, en una diferente absorción de la luz polarizada circular a izquierda o a derecha.

El reto experimental en el trabajo del grupo de Berkeley con el Yb ha sido hacer visible este pequeño efecto de violación de la paridad. Para ello han usado un láser para aportar la energía necesaria para que se produzca una transición electrónica “prohibida” entre un orbital S y un D, en concreto de 6s² a 5d6s. Dado que el intercambio del bosón Z⁰ mezcla el orbital D con el P (6s6p), hay una pequeña amplitud de transición para esta transición prohibida. En otras palabras, existe una interferencia mecanocuántica entre el intercambio del bosón y el intercambio del fotón [en la imagen]. Esta amplitud es la que suministra una medida de la interacción débil [de hecho el cuadrado de la suma de las amplitudes; en la imagen], pero no se puede medir directamente. El truco consiste en colocar los átomos de Yb en una combinación de campos eléctrico y magnético estáticos. El campo magnético divide los subniveles magnéticos en el estado excitado (efecto Zeeman). El campo eléctrico por su parte también mezcla estados atómicos de paridad opuesta (efecto Stark), lo que interfiere con la mezcla de paridad en el átomo y resulta en un fuerte aumento del efecto total observable.

La medición llevada a cabo por Tsigutkin et al. demuestra que es posible observar los efectos de la violación de la paridad en átomos complejos como el Yb. 50 años después del descubrimiento de la ruptura de la simetría en física, este resultado abre una nueva ronda de investigaciones para explotar dicha rotura y arrojar luz sobre las características aún no comprendidas del modelo estándar.

Referencia:

Tsigutkin, K., Dounas-Frazer, D., Family, A., Stalnaker, J., Yashchuk, V., & Budker, D. (2009). Observation of a Large Atomic Parity Violation Effect in Ytterbium Physical Review Letters, 103 (7) DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.071601