Experimento Hughes-Drever

Los experimentos de Hughes–Drever, también llamados experimentos de comparación de relojes, de anisotropía de reloj, de isotropía de masa o de isotropía de energía, son comprobaciones espectroscópicas de la isotropía de la masa y el espacio. Como en los experimentos de Michelson–Morley, se puede comprobar la existencia de un sistema de referencia privilegiado u otras desviaciones de la invariancia de Lorentz, lo cual también afecta a la validez del principio de equivalencia. Por tanto, estos experimentos tienen que ver con aspectos fundamentales tanto de la relatividad especial como de la relatividad general. A diferencia de los experimentos tipo Michelson–Morley, los experimentos Hughes–Drever comprueban la isotropía de las interacciones de la materia misma, o sea, de protones, neutrones y electrones. La precisión alcanzada hace de esta clase de experimentos una de la confirmaciones más rigurosas de la relatividad.^{[A 1]}​ ^{[A 2]}​ ^{[A 3]}​ ^{[A 4]}​ ^{[A 5]}​ ^{[A 6]}​

Espectro ⁷Li de RMN de LiCl (1M) en D₂O. La única y estrecha línea RMN de este isótopo de Litio es una evidencia de la isotropía de la masa y el espacio.

Experimentos de Hughes y Drever

Giuseppe Cocconi y Edwin Ernest Salpeter (1958) habían teorizado que la inercia depende las masas que la rodean según el principio de Mach. Una distribución no uniforme de la materia conduciría, por tanto, a anisotropía de la inercia en direcciones diferentes. Argumentos heurísiticos les llevaron a creer que cualquier anisotropía inercial, si existiese, estaría dominada por las contribuciones de masa del centro de nuestra galaxia Vía láctea. Argumentaron que esta anisotropía podría observarse de dos maneras: midiendo la división Zeeman en un átomo,^[1]​ o en el estado nuclear excitado del ⁵⁷Fe usando el efecto Mössbauer.^[2]​

Vernon W. Hughes et al. (1960)^[3]​ y Ronald Drever (1961)^[4]​ dirigieron de manera independiente experimentos espectroscópicos similares para comprobar el principio de Mach. Sin embargo, no utilizaron el efecto Mössbauer, sino que hicieron medidas de resonancia magnética del núcleo de litio-7, cuyo estado fundamental posee un espín de ³⁄₂. El estado fundamental se divide en cuatro niveles de energía magnética igualmente espaciados cuando se mide en un campo magnético acorde con su número cuántico magnético permitido. Las funciones de onda nucleares para los distintos niveles de energía tienen diferentes distribuciones espaciales en relación al campo magnético, y por tanto tienen diferentes propiedades direccionales. Si se cumple la isotropía de masa, cada transición entre un par de niveles adyacentes debería emitir un fotón de igual frecuencia, resultando en una única y estrecha línea en el espectro. Por otro lado, si la inercia depende de la dirección, debería observarse un triplete de líneas de resonancia más anchas. Durante las 24 horas del desarrollo de la versión de Drever del experimento, la Tierra giró y el eje del campo magnético barrió diferentes secciones del cielo. Drever prestó particular atención al comportamiento de la línea espectral mientras el campo magnético cruzaba el centro de la galaxia.^{[A 7]}​ Ni Hughes ni Drever observaron ningún desplazamiento de la frecuencia de los niveles de energía y, debido a la alta precisión de sus experimentos, la anisotropía máxima podría ser limitada a 0,04 Hz ( 10⁻²⁵ GeV).

En lo que respecta a las consecuencias del nulo resultado para el principio de Mach, Robert H. Dicke (1961) demostró que esto está de acuerdo con el principio, siempre y cuando la anisotropía espacial sea la misma para todas las partículas. Por tanto el resultado nulo está más bien mostrando que los efectos de la anisotropía inercial son, si existen, universales para todas las partículas y localmente inobservables.^[5]​^[6]​

Interpretación moderna

Aunque la motivación de este experimento era probar el principio de Mach, ha llegado a ser reconocido como una importante prueba de la invariancia de Lorentz y, por tanto, de la relatividad especial. Esto es así porque los efectos de la anisotropía también ocurren en un sistema de referencia privilegiado y en un sistema de referencia en violación de Lorentz , usualmente identificados con el sistema de referencia en reposo del CMB o con algún tipo de éter luminífero (velocidad relativa ca. 368 km/s). Por eso los resultados negativos de los experimentos Hughes-Drever (así como los experimentos de Michelson-Morley) descartan la existencia de tal sistema de referencia. En particular, las pruebas de Hughes-Drever de las violaciones de Lorentz se describen a menudo en una teoría de comprobación de la relatividad especial propuesta por Mark P. Haugan y Clifford Will. De acuerdo con este modelo las violaciones de Lorentz en sistemas de referencia privilegiados pueden llevar a diferencias entre la máxima velocidad alcanzable por partículas con masa y la velocidad de la luz. Si fueran diferentes, las propiedades y frecuencias de las interacciones de materia podrían cambiar también. Además, es una consecuencia fundamental del principio de equivalencia de la relatividad general que la invariancia de Lorentz se conserva localmente en sistemas de referencia que se mueven libremente (invariancia local de Lorentz, LLI). Esto significa que los resultados de este experimento aplican tanto a la relatividad especial como a la general.^{[A 1]}​^{[A 2]}​

Debido al hecho de que se comparan diferentes frecuencias ("relojes"), estos experimentos se denominan también experimentos de comparación de relojes.^{[A 3]}​^{[A 4]}​

Experimentos recientes

Además de las violaciones de Lorentz debidas a un sistema de referencia privilegiado o a influencias basadas en el principio de Mach, también se han buscado violaciones espontáneas de la invariancia de Lorentz y de la simetría CPT, ya que las predicciones de varios modelos de gravedad cuántica sugieren su existencia. Se han llevado a cabo modernas actualizaciones de los experimentos de Hughes-Drever para estudiar posibles violaciones de Lorentz y de CPT en neutrones y protones. Usando sistemas de espín polarizado y comagnetómetros, para suprimir influencias magnéticas, se han incrementado enormemente la precisión y la sensibilidad de estos experimentos. Además, utilizando balanzas de torsión de espín polarizado también se ha comprobado el sector del electrón.^{[A 5]}​^{[A 6]}​

Todos estos experimentos han dado hasta ahora resultados negativos, por lo que todavía no hay señales de la existencia de un sistema de referencia privilegiado o cualquier otra forma de violación de Lorentz. Los valores de la tabla siguiente están relacionados con los coeficientes dados por el Modelo Estándar extendido (SME) y son usados a menudo por la teoría de campo efectivo para evaluar posibles violaciones de Lorentz (véase también otras pruebas de la relatividad especial). Así, cualquier desviación de la invariancia de Lorentz puede vincularse con coeficientes específicos. Dado que se han probado en estos experimentos una serie de coeficientes, sólo se da el valor de mayor sensibilidad (para datos más precisos, véanse los artículos individuales):^{[A 3]}​^{[A 8]}​^{[A 4]}​

Autor	Año	Restricciones SME			Descripción
		Protón	Neutrón	Electrón
Prestage et al.^[7]​	1985		10^−27		Comparando la transición de volteo del espín nuclear de ^9Be^+ (confinado en una trampa de Penning) mediante una transición máser de hidrógeno.
Phillips^[8]​	1987			10^−27	Se investigaron oscilaciones sinusoidales utilizando un péndulo de torsión de espín criogénico que llevaba un imán polarizado transversalmente.
Lamoreaux et al.^[9]​	1989		10^−29		Indujeron polarizaciones de espín dipolo y cuadripolo en un vapor de ^201Hg, en el cual pueden observarse cambios de energía de cuadripolo.
Chupp et al.^[10]​	1989		10^−27		Se investiga la división cuadripolo dependiente del tiempo de niveles de Zeeman. Se polarizan por intercambio de espín, y se comparan, gases de ^21Ne y ^3He.
Wineland et al.^[11]​	1991			10^−25	Se investigaron los acoplamientos anómalos dipolo-monopolo y dipolo-dipolo mediante el examen de resonancias hiperfinas en ^9Be^+.
Wang et al.^[12]​	1993			10^−27	Se investiga un péndulo de torsión de espín llevando una masa de ^6Dy–^23Fe de espín polarizado en busca de variaciones siderales.
Berglund et al.^[13]​	1995	10^−27	10^−30	10^−27	Se comparan las frecuencias de ^199Hg y ^133Cs mediante la aplicación de un campo magnético.
Bear et al.^[14]​	2000		10^−31		Se comparan las frecuencias de másers Zeeman ^129Xe y ^3He.
Phillips et al.^[15]​	2000	10^−27			Se mide la frecuencia de Zeeman utilizando másers de hidrógeno.
Humphrey et al.^[16]​	2003	10^−27		10^−27	Véase Phillips et al. (2000).
Hou et al.^[17]​	2003			10^−29	Véase Wang et al. (1993).
Canè et al.^[18]​	2004		10^−32		Véase Bear et al. (2000).
Wolf et al.^[19]​	2006	10^−25			Se miden frecuencias atómicas usando láseres de fuentes atómicas enfriadas de ^133Cs.
Heckel et al.^[20]​	2006			10^−30	Usaron un péndulo de torsión de espín con cuatro secciones de alnico y cuatro secciones de Sm5Co.
Heckel et al.^[21]​	2008			10^−31	Véase Heckel et al. (2006).
Altarev et al.^[22]​	2009		10^−29		Se analizan las frecuencias de precesión de espín en neutrones y ^199Hg confinados y ultraenfriados.
Brown et al.^[23]​	2010	10^−32	10^−33		Comparando las frecuencias en un comagnetómetro K / ^3He.
Gemmel et al.^[24]​	2010		10^−32		Comparando las frecuencias en un comagnetómetro ^129Xe / ^3He.
Smiciklas et al.^[25]​	2011		10^−29		Comparando las frecuencias en un comagnetómetro ^21Ne / Rb / K. Comprueba la velocidad máxima alcanzable por neutrones.
Peck et al.^[26]​	2012	10^−30	10^−31		Similar a Berglund et al. (1995).
Hohensee et al.^[27]​	2013			10^−17	Midiendo la transición de frecuencias de dos estados degenerados próximos de ^164Dy y ^162Dy. Comprueba la velocidad máxima alcanzable por electrones.
Allmendinger et al.^[28]​	2013		10^−34		Véase Gemmel et al. (2010).

Véase también

• Pruebas de la relatividad especial

Notas y referencias

Principales

1. Cocconi, G.; Salpeter E. (1958). «A search for anisotropy of inertia». Il Nuovo Cimento 10 (4): 646-651. doi:10.1007/BF02859800. 
2. Cocconi, G.; Salpeter E. (1960). «Upper Limit for the Anisotropy of Inertia from the Mössbauer Effect». Physical Review Letters 4 (4): 176-177. Bibcode:1960PhRvL...4..176C. doi:10.1103/PhysRevLett.4.176. 
3. Hughes, V. W.; Robinson, H. G.; Beltran-Lopez, V. (1960). «Upper Limit for the Anisotropy of Inertial Mass from Nuclear Resonance Experiments». Physical Review Letters 4 (7): 342-344. Bibcode:1960PhRvL...4..342H. doi:10.1103/PhysRevLett.4.342. 
4. Drever, R. W. P. (1961). «A search for anisotropy of inertial mass using a free precession technique». Philosophical Magazine 6 (65): 683-687. Bibcode:1961PMag....6..683D. doi:10.1080/14786436108244418. 
5. Dicke, R. H. (1961). «Experimental Tests of Mach's Principle». Physical Review Letter 7 (9): 359-360. Bibcode:1961PhRvL...7..359D. doi:10.1103/PhysRevLett.7.359. 
6. Dicke, R. H. (1964). The Theoretical Significance of Experimental Relativity. Gordon and Breach. 
7. Prestage, J. D.; Bollinger, J. J.; Itano, W. M.; Wineland, D. J. (1985). «Limits for spatial anisotropy by use of nuclear-spin-polarized Be-9(+) ions». Physical Review Letters 54 (22): 2387-2390. Bibcode:1985PhRvL..54.2387P. PMID 10031329. doi:10.1103/PhysRevLett.54.2387. 
8. Phillips, P. R. (1987). «Test of spatial isotropy using a cryogenic spin-torsion pendulum». Physical Review Letters 59 (5): 1784-1787. Bibcode:1987PhRvL..59.1784P. doi:10.1103/PhysRevLett.59.1784. 
9. Lamoreaux, S. K.; Jacobs, J. P.; Heckel, B. R.; Raab, F. J.; Fortson, E. N. (1989). «Optical pumping technique for measuring small nuclear quadrupole shifts in 1S(0) atoms and testing spatial isotropy». Physical Review A 39 (3): 1082-1111. Bibcode:1989PhRvA..39.1082L. PMID 9901347. doi:10.1103/PhysRevA.39.1082. 
10. Chupp, T. E.; Hoare, R. J.; Loveman, R. A.; Oteiza, E. R.; Richardson, J. M.; Wagshul, M. E.; Thompson, A. K. (1989). «Results of a new test of local Lorentz invariance: A search for mass anisotropy in 21Ne». Physical Review Letters 63 (15): 1541-1545. Bibcode:1989PhRvL..63.1541C. PMID 10040606. doi:10.1103/PhysRevLett.63.1541. 
11. Wineland, D. J.; Bollinger, J. J.; Heinzen, D. J.; Itano, W. M.; Raizen, M. G. (1991). «Search for anomalous spin-dependent forces using stored-ion spectroscopy». Physical Review Letters 67 (13): 1735-1738. Bibcode:1991PhRvL..67.1735W. PMID 10044234. doi:10.1103/PhysRevLett.67.1735. 
12. Wang, Shih-Liang; Ni, Wei-Tou; Pan, Sheau-Shi (1993). «New Experimental Limit on the Spatial Anisotropy for Polarized Electrons». Modern Physics Letters A 8 (39): 3715-3725. Bibcode:1993MPLA....8.3715W. doi:10.1142/S0217732393003445. 
13. Berglund, C. J.; Hunter, L. R.; Krause, D., Jr.; Prigge, E. O.; Ronfeldt, M. S.; Lamoreaux, S. K. (1995). «New Limits on Local Lorentz Invariance from Hg and Cs Magnetometers». Physical Review Letters 75 (10): 1879-1882. Bibcode:1995PhRvL..75.1879B. PMID 10059152. doi:10.1103/PhysRevLett.75.1879. 
14. Bear, D.; Stoner, R. E.; Walsworth, R. L.; Kostelecký, V. Alan; Lane, Charles D. (2000). «Limit on Lorentz and CPT Violation of the Neutron Using a Two-Species Noble-Gas Maser». Physical Review Letters 85 (24): 5038-5041. Bibcode:2000PhRvL..85.5038B. PMID 11102181. arXiv:physics/0007049. doi:10.1103/PhysRevLett.85.5038. 
15. Phillips, D. F.; Humphrey, M. A.; Mattison, E. M.; Stoner, R. E.; Vessot, R. F.; Walsworth, R. L. (2000). «Limit on Lorentz and CPT violation of the proton using a hydrogen maser». Physical Review D 63 (11): 111101. Bibcode:2001PhRvD..63k1101P. arXiv:physics/0008230. doi:10.1103/PhysRevD.63.111101. 
16. Humphrey, M. A.; Phillips, D. F.; Mattison, E. M.; Vessot, R. F.; Stoner, R. E.; Walsworth, R. L. (2003). «Testing CPT and Lorentz symmetry with hydrogen masers». Physical Review A 68 (6): 063807. Bibcode:2003PhRvA..68f3807H. arXiv:physics/0103068. doi:10.1103/PhysRevA.68.063807. 
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18. Canè, F.; Bear, D.; Phillips, D. F.; Rosen, M. S.; Smallwood, C. L.; Stoner, R. E.; Walsworth, R. L.; Kostelecký, V. Alan (2004). «Bound on Lorentz and CPT Violating Boost Effects for the Neutron». Physical Review Letters 93 (23): 230801. Bibcode:2004PhRvL..93w0801C. PMID 15601138. arXiv:physics/0309070. doi:10.1103/PhysRevLett.93.230801. 
19. Wolf, P.; Chapelet, F.; Bize, S.; Clairon, A. (2006). «Cold Atom Clock Test of Lorentz Invariance in the Matter Sector». Physical Review Letters 96 (6): 060801. Bibcode:2006PhRvL..96f0801W. PMID 16605978. arXiv:hep-ph/0601024. doi:10.1103/PhysRevLett.96.060801. 
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21. Heckel, B. R.; Adelberger, E. G.; Cramer, C. E.; Cook, T. S.; Schlamminger, S.; Schmidt, U. (2008). «Preferred-frame and CP-violation tests with polarized electrons». Physical Review D 78 (9): 092006. Bibcode:2008PhRvD..78i2006H. arXiv:0808.2673. doi:10.1103/PhysRevD.78.092006. 
22. Altarev, I. et al. (2009). «Test of Lorentz Invariance with Spin Precession of Ultracold Neutrons». Physical Review Letters 103 (8): 081602. Bibcode:2009PhRvL.103h1602A. PMID 19792714. arXiv:0905.3221. doi:10.1103/PhysRevLett.103.081602. 
23. Brown, J. M.; Smullin, S. J.; Kornack, T. W.; Romalis, M. V. (2010). «New Limit on Lorentz- and CPT-Violating Neutron Spin Interactions». Physical Review Letters 105 (15): 151604. Bibcode:2010PhRvL.105o1604B. PMID 21230893. arXiv:1006.5425. doi:10.1103/PhysRevLett.105.151604. 
24. Gemmel, C.; Heil, W.; Karpuk, S.; Lenz, K.; Sobolev, Yu.; Tullney, K.; Burghoff, M.; Kilian, W.; Knappe-Grüneberg, S.; Müller, W.; Schnabel, A.; Seifert, F.; Trahms, L.; Schmidt, U. (2010). «Limit on Lorentz and CPT violation of the bound neutron using a free precession He3/Xe129 comagnetometer». Physical Review D 82 (11): 111901. Bibcode:2010PhRvD..82k1901G. arXiv:1011.2143. doi:10.1103/PhysRevD.82.111901. 
25. M. Smiciklas et al. (2011). «New Test of Local Lorentz Invariance Using a 21Ne-Rb-K Comagnetometer». Physical Review Letters 107 (17): 171604. Bibcode:2011PhRvL.107q1604S. PMID 22107506. arXiv:1106.0738. doi:10.1103/PhysRevLett.107.171604. 
26. Peck, S.K. et al. (2012). «New Limits on Local Lorentz Invariance in Mercury and Cesium». Physical Review A 86 (1): 012109. Bibcode:2012PhRvA..86a2109P. arXiv:1205.5022. doi:10.1103/PhysRevA.86.012109. 
27. Hohensee, M.A. et al. (2013). «Limits on violations of Lorentz symmetry and the Einstein equivalence principle using radio-frequency spectroscopy of atomic dysprosium». Physical Review Letters 111 (5): 050401. Bibcode:2013PhRvL.111e0401H. PMID 23952369. arXiv:1303.2747. doi:10.1103/PhysRevLett.111.050401. 
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Secundarias

1. Will, C. M. (2006). «The Confrontation between General Relativity and Experiment». Living Reviews in Relativity 9 (3). Consultado el 23 de junio de 2011. 
2. Will, C. M. (1995). «Stable clocks and general relativity». Proceedings of the 30th Rencontres de Moriond: 417. Bibcode:1995dmcc.conf..417W. arXiv:gr-qc/9504017. 
3. Kostelecký, V. Alan; Lane, Charles D. (1999). «Constraints on Lorentz violation from clock-comparison experiments». Physical Review D 60 (11): 116010. Bibcode:1999PhRvD..60k6010K. arXiv:hep-ph/9908504. doi:10.1103/PhysRevD.60.116010. 
4. Mattingly, David (2005). «Modern Tests of Lorentz Invariance». Living Rev. Relativity 8 (5): 5. Bibcode:2005LRR.....8....5M. arXiv:gr-qc/0502097. doi:10.12942/lrr-2005-5. 
5. Pospelov, Maxim; Romalis, Michael (2004). «Lorentz Invariance on Trial». Physics Today 57 (7): 40-46. Bibcode:2004PhT....57g..40P. doi:10.1063/1.1784301. 
6. Walsworth, R.L. (2006). «Tests of Lorentz Symmetry in the Spin-Coupling Sector». Lecture Notes in Physics. Lecture Notes in Physics 702: 493-505. ISBN 978-3-540-34522-0. doi:10.1007/3-540-34523-X_18. 
7. Bartusiak, Marcia (2003). Einstein's Unfinished Symphony: Listening to the Sounds of Space-Time. Joseph Henry Press. pp. 96-97. ISBN 0425186202. Consultado el 15 de julio de 2012. «'Vigilé esa línea durante un período de 24 horas mientrar la Tierra rotaba. A medida que el eje del campo recorría el centro de la galaxia y otras direcciones, yo esperaba un cambio', recuerda Drever.» 
8. Hou, Li-Shing; Ni, Wei-Tou; Li, Yu-Chu M. (2003). «Test of Cosmic Spatial Isotropy for Polarized Electrons Using a Rotatable Torsion Balance». Physical Review Letters 90 (20): 201101. Bibcode:2003PhRvL..90t1101H. PMID 12785879. arXiv:physics/0009012. doi:10.1103/PhysRevLett.90.201101. 

Enlaces externos

• T. Roberts (2007) & S. Schleif, Relativity FAQ, What is the experimental basis of Special Relativity?

•   Datos: Q1634662