Experimento de Hughes-Drever - Hughes–Drever experiment

Los experimentos de Hughes-Drever (también de comparación de reloj, anisotropía de reloj, isotropía de masa o isotropía de energía) son pruebas espectroscópicas de la isotropía de masa y espacio . Aunque originalmente se concibió como una prueba del principio de Mach , ahora se entiende que es una prueba importante de la invariancia de Lorentz . Como en los experimentos de Michelson-Morley , se puede probar la existencia de un marco de referencia preferido u otras desviaciones de la invariancia de Lorentz, lo que también afecta la validez del principio de equivalencia . Por tanto, estos experimentos se refieren a aspectos fundamentales de la relatividad general y especial . A diferencia de los experimentos de tipo Michelson-Morley, los experimentos de Hughes-Drever prueban la isotropía de las interacciones de la materia misma, es decir, de protones , neutrones y electrones . La precisión lograda hace que este tipo de experimento sea una de las confirmaciones más precisas de la relatividad (ver también Pruebas de relatividad especial ).

Experimentos de Hughes y Drever

Giuseppe Cocconi y Edwin Ernest Salpeter (1958) teorizaron que la inercia depende de las masas circundantes según el principio de Mach . La distribución no uniforme de la materia conduciría a una anisotropía de inercia en diferentes direcciones. Los argumentos heurísticos los llevaron a creer que cualquier anisotropía inercial, si existiera, estaría dominada por contribuciones masivas del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea . Argumentaron que esta anisotropía podría observarse de dos maneras: midiendo la división de Zeeman en un átomo o midiendo la división de Zeeman en el estado nuclear excitado de⁵⁷
Fe
utilizando el efecto Mössbauer .

Vernon W. Hughes y col. (1960) y Ronald Drever (1961) realizaron de forma independiente experimentos espectroscópicos similares para probar el principio de Mach. Sin embargo, no utilizaron el efecto Mössbauer, sino que realizaron mediciones de resonancia magnética del núcleo de litio -7, cuyo estado fundamental posee un giro de 3 ⁄ 2 . El estado fundamental se divide en cuatro niveles de energía magnética igualmente espaciados cuando se mide en un campo magnético de acuerdo con su número cuántico magnético permitido . Las funciones de onda nuclear para los diferentes niveles de energía tienen diferentes distribuciones espaciales en relación con el campo magnético y, por lo tanto, tienen diferentes propiedades direccionales. Si se satisface la isotropía de masas, cada transición entre un par de niveles adyacentes debe emitir un fotón de igual frecuencia, lo que da como resultado una única línea espectral nítida. Por otro lado, si la inercia tiene una dependencia direccional, se debe observar un triplete o una línea de resonancia ensanchada. Durante el curso de 24 horas de la versión del experimento de Drever, la Tierra giró y el eje del campo magnético barrió diferentes secciones del cielo. Drever prestó especial atención al comportamiento de la línea espectral cuando el campo magnético cruzó el centro de la galaxia. Ni Hughes ni Drever observaron ningún cambio de frecuencia de los niveles de energía y, debido a la alta precisión de sus experimentos, la anisotropía máxima podría limitarse a 0,04  Hz = ^10-25  GeV .

En cuanto a las consecuencias del resultado nulo para el principio de Mach, Robert H. Dicke (1961) demostró que está de acuerdo con este principio, siempre que la anisotropía espacial sea la misma para todas las partículas. Por lo tanto, el resultado nulo muestra más bien que los efectos de anisotropía inercial son, si existen, universales para todas las partículas y localmente inobservables.

Interpretación moderna

Si bien la motivación de este experimento fue probar el principio de Mach, desde entonces se ha reconocido como una prueba importante de la invariancia de Lorentz y, por lo tanto, de la relatividad especial . Esto se debe a que los efectos de anisotropía también ocurren en presencia de un marco de referencia preferido y que viola Lorentz, generalmente identificado con el marco en reposo CMBR como una especie de éter luminífero (velocidad relativa de aproximadamente 368 km / s). Por lo tanto, los resultados negativos de los experimentos de Hughes-Drever (así como los experimentos de Michelson-Morley ) descartan la existencia de tal marco. En particular, las pruebas de Hughes-Drever de las violaciones de Lorentz a menudo se describen mediante una teoría de prueba de la relatividad especial presentada por Mark P. Haugan y Clifford Will . Según este modelo, las violaciones de Lorentz en presencia de marcos preferidos pueden dar lugar a diferencias entre la velocidad máxima alcanzable de partículas masivas y la velocidad de la luz. Si fueran diferentes, las propiedades y frecuencias de las interacciones de la materia también cambiarían. Además, es una consecuencia fundamental del principio de equivalencia de la relatividad general que la invariancia de Lorentz tiene localmente en marcos de referencia que se mueven libremente = invariancia de Lorentz local (LLI). Esto significa que los resultados de este experimento se refieren tanto a la relatividad general como a la especial.

Debido al hecho de que se comparan diferentes frecuencias ("relojes"), estos experimentos también se denominan experimentos de comparación de relojes.

Experimentos recientes

Además de las violaciones de Lorentz debido a un marco preferido o influencias basadas en el principio de Mach, también se están buscando violaciones espontáneas de la invariancia de Lorentz y la simetría CPT , motivadas por las predicciones de varios modelos de gravedad cuántica que sugieren su existencia. Se han realizado actualizaciones modernas de los experimentos de Hughes-Drever estudiando la posible violación de Lorentz y CPT en neutrones y protones . Usando sistemas de espín polarizado y co-magnetómetros (para suprimir las influencias magnéticas), la precisión y sensibilidad de estos experimentos se han incrementado enormemente. Además, mediante el uso de balanzas de torsión de espín polarizado , también se ha probado el sector de electrones .

Todos estos experimentos hasta ahora han dado resultados negativos, por lo que todavía no hay indicios de la existencia de un marco preferido o cualquier otra forma de violación de Lorentz. Los valores de la siguiente tabla están relacionados con los coeficientes dados por la Extensión del modelo estándar (SME), una teoría de campo eficaz de uso frecuente para evaluar posibles violaciones de Lorentz (ver también otras teorías de prueba de la relatividad especial ). A partir de eso, cualquier desviación de la invariancia de Lorentz se puede conectar con coeficientes específicos. Dado que en esos experimentos se prueban una serie de coeficientes, solo se proporciona el valor de sensibilidad máxima (para obtener datos precisos, consulte los artículos individuales):

Autor	Año	Limitaciones de las PYME			Descripción
		Protón	Neutrón	Electrón
Prestage et al.	1985		10 −27		Comparando la transición nuclear spin-flip de9 Ser+ (almacenado en una trampa para corrales ) con una transición de máser de hidrógeno.
Phillips	1987			10 −27	Las oscilaciones sinusoidales se investigaron utilizando un péndulo de torsión de espín criogénico que portaba un imán polarizado transversalmente.
Lamoreaux y col.	1989		10 −29		Indujeron la polarización de espín dipolo y cuadrupolo en un vapor de201 Hg , mediante el cual se pueden observar cambios de energía cuadrupolo.
Chupp y col.	1989		10 −27		Se investiga la división por cuadrupolo dependiente del tiempo de los niveles de Zeeman. 21 Nordeste y 3 Él los gases se polarizan mediante intercambio de espín y se comparan.
Wineland y col.	1991			10 −25	Se investigan los acoplamientos anómalos dipolo-monopolo y dipolo-dipolo, examinando resonancias hiperfinas en 9 Ser+ .
Wang y col.	1993			10 −27	Un péndulo de torsión de espín que lleva una masa de Dy - Fe polarizada en espín se investiga en busca de variaciones siderales.
Berglund y col.	1995	10 −27	10 −30	10 −27	Las frecuencias de 199 Hg y 133 C se comparan aplicando un campo magnético.
Bear y col.	2000		10 −31		Las frecuencias de 129 Xe y 3 Él Se comparan los máseres de Zeeman.
Phillips y col.	2000	10 −27			La frecuencia de Zeeman se mide utilizando máseres de hidrógeno .
Humphrey y col.	2003	10 −27		10 −27	Similar a Phillips et al. (2000).
Hou y col.	2003			10 −29	Similar a Wang et al. (1993).
Canè et al.	2004		10 −32		Similar a Bear et al. (2000).
Wolf y col.	2006	10 −25			Las frecuencias atómicas se miden utilizando refrigerado por láser 133 Cs fuentes atómicas .
Heckel y col.	2006			10 −30	Utilizaron un péndulo spin-torsión con cuatro secciones de la aleación de acero y cuatro secciones de Sm 5 Co .
Heckel y col.	2008			10 −31	Similar a Heckel et al. (2006).
Altarev y col.	2009		10 −29		Las frecuencias de precesión de espín en neutrones ultrafríos almacenados y 199 Hg son analizados.
Brown y col.	2010	10 −32	10 −33		Comparando las frecuencias en un K /3 Él comagnetómetro.
Gemmel y col.	2010		10 −32		Comparando las frecuencias en un 129 Xe / 3 Él comagnetómetro.
Smiciklas y col.	2011		10 −29		Comparando las frecuencias en un 21 Nordeste / Comagnetómetro Rb / K. Prueba de la máxima velocidad alcanzable de neutrones.
Peck y col.	2012	10 −30	10 −31		Similar a Berglund et al. (1995).
Hohensee y col.	2013			10 −17	Midiendo las frecuencias de transición de dos estados casi degenerados de 164 Dy y 162 Dy . Prueba de la velocidad máxima alcanzable de los electrones.
Allmendinger y col.	2013		10 −34		Similar a Gemmel et al. (2010).

Fuentes secundarias

Fuentes primarias

enlaces externos

• T. Roberts (2007) y S. Schleif, Preguntas frecuentes sobre relatividad, ¿Cuál es la base experimental de la relatividad especial?