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Relatività e QED, eliminati i dubbi sulle previsioni delle due teorie

Le teorie della relatività ristretta di Einstein e dell’elettrodinamica quantistica (quantum electroynamics, QCD), quest’ultima formulata tra gli altri da Richard Feynman, rappresentano due importanti pilastri della fisica moderna. Oggi, in collaborazione con i colleghi di diverse università e istituti internazionali, un gruppo dei ricercatori guidati dal professor Wilfried Nörtershäuser dell’Università Tecnica di Darmstadt hanno riesaminato alcuni aspetti fondamentali delle due teorie attraverso una serie di esperimenti realizzati presso il GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research.

Per esplorare eventuali limiti delle due teorie, al fine di cercare possibili deviazioni con sempre maggiore precisione o in condizioni estreme, sono stati già realizzati tutta una serie di esperimenti e finora entrambe hanno superato tutti i test. A tal fine, i ricercatori hanno realizzando un esperimento accelerando ioni a velocità prossime a quelle della luce e poi illuminandoli con un laser. I risultati, che sono pubblicati su Physical Review Letters, confermano una conseguenza della relatività ristretta e cioè la dilatazione del tempo, prevista quando abbiamo a che fare con velocità relativistiche, e con una precisione che non è mai stata raggiunta prima. Inoltre, gli scienziati hanno fornito la prima prova diretta della misura della transizione di una riga spettrale per un sistema di ioni di bismuto altamente carichi, per i quali l’istituto GSI assieme ad altri davano la caccia, inutilmente, da ormai 14 anni.

Nel primo esperimento (Test of Time Dilation Using Stored Li+ Ions as Clocks at Relativistic Speed. Phys. Rev. Lett. 113, 120405, 2014), i dati hanno confermato la previsione della relatività con un livello di accuratezza pari a 2 parti per miliardo, circa quattro volte più accurato rispetto ad un esperimento precedente che è stato realizzato all’Heidelberg Test Storage Ring (TSR) accelerando le particelle ad una velocità pari al 6,4 per cento della velocità della luce. Nel secondo esperimento (Observation of the hyperfine transition in lithium-like bismuth 209Bi80+: Towards a test of QED in strong magnetic fields. Phys. Rev. A 90, 030501(R), 2014), si sono verificati alcuni aspetti della QED in presenza di forti campi magnetici creati da nuclei atomici pesanti fortemente carichi. I ricercatori hanno utilizzato ioni di bismuto che sono stati accelerati fino a raggiungere il 71 per cento della velocità della luce per essere successivamente illuminati da un laser. Lo scopo è quello di utilizzare il fenomeno della fluorescenza per misurare la risonanza elettronica. Mentre la risonanza negli ioni di bismuto con un solo elettrone è stata misurata dal GSI nel 1994, fino ad oggi è stato impossibile osservare la transizione della struttura iperfine nel caso del bismuto di tipo litio. Un test significativo della QED è dato dalla combinazione delle due transizioni. Dunque, facendo uso di un particolare rivelatore, di un nuovo sistema di laser e di un sistema sofisticato di acquisizione dati, è stato possibile per la prima volta osservare la tanto cercata transizione, ossia la debole interazione magnetica tra gli elettroni e il nucleo dell’atomo. Questa interazione, osservata già da Albert Michelson nel 1881 e spiegata teoricamente da Wolfgang Pauli nel 1924, causa la separazione dei livelli energetici atomici o molecolari in sotto-livelli, che formano la cosiddetta struttura iperfine dello spettro atomico o molecolare. In questo modo, gli scienziati sono stati in grado di eliminare ogni dubbio sulla previsione teorica che era emersa nel frattempo.

TU Darmstadt: Fundamentals of physics confirmed
arXiv: Test of Time Dilation Using Stored Li+ Ions as Clocks at Relativistic Speed
arXiv: Laser spectroscopy of the ground state hyperfine splittings of 209Bi82+ and 209Bi80+ 

 SlidesLaser Spectroscopy of Highly Charged Ions for a Test of QED (… and SRT)