Físicos da Universidade Nacional da Austrália desenvolveram o método mais sensível de todos os tempos para medir a energia potencial de um átomo (dentro de um centésimo de decilionésimo de joule ou 10 ^-35 joule) e o usou para validar uma das teorias mais testadas da física - a eletrodinâmica quântica (QED).
A pesquisa, publicada esta semana na Science baseia-se em encontrar a cor da luz do laser onde um átomo de hélio é invisível e é uma corroboração independente de métodos anteriores usados ​​para testar QED, que envolveram a medição de transições de um estado de energia atômica para outro.

"Esta invisibilidade é apenas para um átomo específico e uma cor específica de luz - então não poderia ser usada para fazer uma capa de invisibilidade que Harry Potter usaria para investigar cantos escuros em Hogwarts", disse o autor principal, Bryce Henson, Ph. .D. estudante da ANU Research School of Physics.

"Mas pudemos usar para investigar alguns cantos escuros da teoria QED."

“Estávamos esperando pegar o QED, porque houve algumas discrepâncias anteriores entre teoria e experimentos, mas passou com uma nota muito boa”.

A Eletrodinâmica Quântica, ou QED, foi desenvolvida no final da década de 1940 e descreve como a luz e a matéria interagem, incorporando tanto a mecânica quântica quanto a teoria da relatividade especial de Einstein de uma maneira que permaneceu bem-sucedida por quase oitenta anos.

No entanto, indícios de que a teoria QED precisava de alguma melhoria vieram de discrepâncias nas medições do tamanho do próton, que foram resolvidas principalmente em 2019.

Por volta dessa época ANU Ph.D. O estudioso Bryce Henson notou pequenas oscilações em um experimento muito sensível que ele estava realizando em uma nuvem ultrafria de átomos conhecida como condensado de Bose-Einstein.

Ele mediu a frequência das oscilações com precisão recorde, descobrindo que as interações entre os átomos e a luz do laser alteravam a frequência, à medida que a cor do laser variava.

Ele percebeu que esse efeito poderia ser aproveitado para determinar com muita precisão a cor exata na qual os átomos não interagiam com o laser e a oscilação permanecia inalterada - em outras palavras, tornando-se efetivamente invisível.

Com a combinação de um laser de altíssima resolução e átomos resfriados a 80 bilionésimos de grau acima do zero absoluto (80 nanokelvin), a equipe alcançou uma sensibilidade em suas medições de energia que foi 5 ordens de magnitude menor que a energia dos átomos, cerca de 10 ^–35 joules ou uma diferença de temperatura de cerca de 10 ^-13 de um grau kelvin.

"Isso é tão pequeno que não consigo pensar em nenhum fenômeno para compará-lo - está tão longe do fim da escala", disse Henson.

Com essas medições, a equipe conseguiu deduzir valores muito precisos para a cor de invisibilidade do hélio. Para comparar seus resultados com a previsão teórica para QED, eles recorreram ao professor Li-Yan Tang, da Academia Chinesa de Ciências em Wuhan, e ao professor Gordon Drake, da Universidade de Windsor, no Canadá.

Cálculos anteriores usando QED tinham menos incerteza do que os experimentos, mas com a nova técnica experimental melhorando a precisão por um fator de 20, os teóricos tiveram que enfrentar o desafio e melhorar seus cálculos.

Nessa busca, eles foram mais do que bem-sucedidos - melhorando sua incerteza para um mero 1/40 da incerteza experimental mais recente e destacando a contribuição QED para a frequência de invisibilidade do átomo, que era 30 vezes maior que a incerteza do experimento. O valor teórico foi apenas ligeiramente inferior ao valor experimental em 1,7 vezes a incerteza experimental.

O líder da colaboração internacional, o professor Ken Baldwin, da ANU Research School of Physics, disse que as melhorias no experimento podem ajudar a resolver a discrepância, mas também aprimorar uma ferramenta extraordinária que pode iluminar o QED e outras teorias.

"Novas ferramentas para medições de precisão geralmente levam a grandes mudanças na compreensão teórica", disse o professor Baldwin. + Explorar mais

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