Todos sabemos que la Tierra no es esférica, pero muchos olvidan que una bola de billar es menos esférica que la Tierra. El electrón es la esfera más perfecta del universo, aunque también presenta una leve distorsión dada por su momento dipolar eléctrico. Esta leve distorsión está relacionada con la asimetría entre materia y antimateria en el universo. Un nuevo artículo en Nature ha proporcionado el primer límite experimental riguroso al momento dipolar del electrón, en concreto d = −2.4 ± 5,7 (est.) ±1,5 (sist.) × 10−28 e cm, donde e es la carga del electrón; es decir, el nuevo artículo establece un límite superior de |d|<10,5 × 10−28e cm, con una confianza del 90 por ciento. Este resultado es compatible con un valor nulo para el momento dipolar eléctrico del electrón, aunque la opinión generalizada entre los expertos es que este valor debería ser no nulo. El nuevo artículo técnico es J. J. Hudson, D. M. Kara, I. J. Smallman, B. E. Sauer, M. R. Tarbutt, E. A. Hinds, “Improved measurement of the shape of the electron,” Nature 473: 493–496, 26 May 2011.

¿Cómo se mide la forma de un electrón? El electrón tiene un momento dipolar magnético μ (la negrita indica vectores), gracias al cual adquiere una energía de −μ · B (el punto es el producto escalar) en presencia de un campo magnético B. De igual forma, si el electrón tiene un momento dipolar eléctrico no nulo d, adquirirá (en el límite no relativista) una energía −d · E en presencia de un campo eléctrico E. Si el electrón tiene un momento dipolar eléctrico estará proyectado en la dirección de su espín, es decir, d = d σ, por lo que la energía adquirida por el electrón dependerá de si la dirección del campo eléctrico y la del espín son paralelas o antiparalelas. La manera más precisa de medir el valor del momento dipolar del electrón es determinar la diferencia de energía entre estos dos casos extremos. Hudson et al. han utilizado un interferómetro de desplazamiento de fase para realizar esta medida.

Esta figura muestra el dispositivo experimental utilizado. A la izquierda se observa el emisor de moléculas dipolares YbF; estas moléculas se tienen en su estado fundamental dos niveles hiperfinos F=0 y F=1. Se pasan estas moléculas por un detector de fluorescencia que mide las moléculas en el estado F=1 y las elimina de la población de moléculas que penetran en una guía eléctrica formada por dos placas paralelas entre las que hay un campo eléctrico constante. Un pulso de radiofrecuencia transforma el estado de las moléculas de |F,m> = |0,0> a un estado de superposición |1,+1>+|1,−1> que durante su propagación por la guía eléctrica adquiere una diferencia de fase entre ambos estados. A la salida de la guía, otro pulso de radiofrecuencia devuelve el estado de superposición al estado original |0,0>, pero el resultado depende del coseno de la diferencia de fase. Un detector de fluorescencia mide esta diferencia de fase; su medida precisa requiere un gran alarde técnico, pues el valor esperado para esta diferencia de fase es muy pequeño. Promediando este resultado para muchos haces de pulsos moleculares se logra eliminar posibles errores sistemáticos (los autores han utilizado más de 25 millones de pulsos).

El valor observado en este experimento se compatible con la hipótesis nula, es decir, con un valor cero para el momento dipolar eléctrico del electrón, aunque el modelo estándar predice un valor no nulo (cuyo cálculo teórico presenta gran incertidumbre) y los resultados experimentales parecen confirmar cierta desviación respecto a la hipótesis nula, como indica la figura de arriba. Lo importante es que el nuevo resultado es 54 veces más preciso que el mejor valor medido hasta el momento y que confirma que el electrón es aún más esférico de lo que se pensaba. El electrón, por el momento, parece el objeto más esférico conocido (entre los objetos en los que su esfericidad haya sido medida).

¿Es el electrón una partícula puntual o una esfera cargada? El nuevo resultado es compatible con la hipótesis de que el electrón es una partícula puntual, pero no permite descartar que en un futuro se demuestre que en realidad es una partícula compuesta de preones u otras subpartículas más elementales. De todas formas, el nuevo resultado apunta a que el LHC del CERN no tendrá energía suficiente para desvelar esta estructura interna (aunque no descarta que pueda hacerlo con los quarks).

Más información en Aaron E. Leanhardt, “Precision measurement: A search for electrons that do the twist,” News & Views, Nature 473: 459–460, 26 May 2011. Quien nos recuerda que el nuevo experimento más que la “forma” del electrón ha medido la “forma” su interacción con campos eléctricos. El momento dipolar magnético del electrón está bien establecido (un electrón es como un pequeño imán con un polo norte y un polo sur). Un campo magnético rota la orientación de un electrón igual que hace girar la aguja de una brújula. El momento dipolar eléctrico del electrón, según el nuevo artículo, es unos 16 órdenes de magnitud más débil que su momento dipolar magnético. ¿Puede ser nulo? Antes de 1950, la mayoría de los físicos teóricos pensaba que las partículas elementales como el electrón no podían tener momentos dipolares eléctricos. Sin embargo, Purcell y Ramsey se dieron cuenta que tal argumento se basaba en suposiciones no probadas, y afirmaron que “la cuestión de la posible existencia de un momento dipolar eléctrico de una partícula elemental sólo puede ser dilucidada gracias a los experimentos. ” Hoy en día, la muchos físicos teóricos creen que tiene un valor muy pequeño, pero diferente de cero, debido a la interacción del vacío cuántico alrededor del electrón. Las predicciones teóricas actuales son múltiples y cada una predice un valor diferente, por lo que no hay consenso. Los experimentos como el de Hudson et al . son fundamentales para dilucidar esta cuestión: ¿cuál es la forma del electrón?