Het was een van de doorbraken van het jaar 2010:laserspectroscopie van muonische waterstof resulteerde in een waarde voor de protonladingsstraal die aanzienlijk kleiner was, met vier standaarddeviaties, dan eerdere bepalingen met gewone waterstof. Deze discrepantie en de oorsprong ervan hebben veel aandacht getrokken in de wetenschappelijke gemeenschap, met implicaties voor het zogenaamde standaardmodel van de fysica.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers van de laserspectroscopieafdeling van professor Theodor W. Hänsch van het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching heeft een nieuwe spectroscopische meting gedaan van reguliere waterstof ( Wetenschap , 6 oktober 2017). De resulterende waarden voor de Rydberg-constante en de protonstraal komen uitstekend overeen met de muonische resultaten ( Natuur 466, 213 (2010)), maar het met 3,3 standaarddeviaties niet eens zijn met het gemiddelde van de eerdere bepalingen van reguliere waterstof.

Waterstof is het eenvoudigste van alle chemische elementen. Volgens het model voorgesteld door Niels Bohr in 1913, het bestaat uit een enkel proton en een elektron dat eromheen draait. De theorie van kwantumelektrodynamica voorspelt de energieniveaus van dit systeem met een nauwkeurigheid van 12 cijfers. Daarom, waterstof speelt een sleutelrol in ons begrip van de natuur. Zijn studie maakt de bepaling mogelijk van fundamentele constanten zoals de Rydberg-constante en de protonladingsstraal.

Waterstof is dus het ideale onderwerp om de natuurwetten te testen. Dit is de reden waarom een ​​meting op muonisch waterstof, wat resulteert in een verrassend kleine waarde voor de protonladingsstraal, maakte grote golven in 2010. In dat experiment, gedaan aan het Paul Scherrer Instituut in Villingen, Zwitserland, het elektron van het waterstofatoom wordt vervangen door zijn zusterdeeltje, het 200 keer zwaardere en kortlevende muon. Laserspectroscopie van deze muonische waterstof resulteerde in een waarde van de protonstraal die uiterst nauwkeurig was, maar vier procent kleiner dan eerdere metingen op reguliere waterstof. "Omdat het muon 200 keer zwaarder is dan het elektron, het draait veel dichter bij het proton en 'voelt' zijn grootte, " legt Prof. Randolf Pohl (nu aan de Johannes Gutenberg-Universität Mainz) uit, een lid van het MPQ-team. "Daarom, de protonstraal heeft een zeven ordes van grootte grotere invloed op de spectraallijnen dan in gewone waterstof. Hierdoor kunnen we de protonstraal met zo'n hoge precisie bepalen."

De grote discrepantie tussen de metingen van gewone waterstof en zijn exotische neef heeft geleid tot veel discussies over de oorsprong ervan. "Echter, sommige van de eerdere metingen komen in feite overeen met de muonische waarde. De invloed van de protonstraal op de energieniveaus in gewone waterstof is klein, en zelfs metingen met zeer hoge precisie hebben moeite om het op te lossen. De discrepantie wordt pas significant als alle metingen gemiddeld zijn, " legt Lothar Maisenbacher uit, een van de afstudeerders die aan het project werkt. "Dit is waarom, om deze 'protonenstraalpuzzel' op te lossen, nieuwe individuele metingen met hoge precisie, en, zo mogelijk, het gebruik van verschillende experimentele benaderingen zijn noodzakelijk."

Om zowel de Rydberg-constante als de protonladingsstraal te bepalen uit spectroscopie van reguliere waterstof, twee verschillende overgangsfrequenties moeten worden gemeten. De verreweg scherpste resonantie, de zogenaamde 1S-2S-overgang, dient als hoeksteen in deze bepaling. De frequentie is gemeten, in 2011, tot 15 cijfers door het MPQ-team ( Fys. ds. Lett . 107, 203001 (2011)). Deze hoge precisie werd niet in de laatste plaats mogelijk gemaakt door de uitvinding van de frequentiekam, waarvoor professor Hänsch in 2005 de Nobelprijs voor de Natuurkunde kreeg. Voor de tweede frequentiemeting die nodig was, het MPQ-team koos voor de zogenaamde 2S-4P-transitie, die de metastabiele 2S-toestand verbindt met de veel korter geleefde 4P-toestand.

In het experiment, deze overgang wordt geëxciteerd door een laser met een golflengte van 486 nm en de verzamelde fluorescentie van het verval van de 4P-toestand dient als signaal. Het apparaat dat eerder voor de 1S-2S-meting werd gebruikt, dient als bron van atomen in de 2S-toestand. In vergelijking met eerdere experimenten, die atomen op kamertemperatuur gebruikten, de hier onderzochte atomen hebben een aanzienlijk lagere temperatuur van 5,8 Kelvin en, bijgevolg, een veel lagere snelheid. Dit, samen met speciaal ontwikkelde technieken, onderdrukt de Dopplerverschuiving sterk, die de grootste bron van onzekerheid voor deze meting vormt.

"Een andere bron van onzekerheid in dit experiment is de zogenaamde kwantuminterferentie, " legt Lothar Maisenbacher uit. "Als we een enkele zouden kunnen onderzoeken, geïsoleerde overgang, de vorm van de resulterende spectraallijn zou symmetrisch zijn. Echter, in ons geval zijn er twee andere hogere toestanden die door de laser kunnen worden opgewekt, genaamd 4P1/2 en 4P3/2. Dit resulteert in een enigszins asymmetrische vorm van de spectraallijnen, waardoor de bepaling van het lijncentrum uitdagender wordt. Hoewel dit een heel klein effect is, het speelt een grote rol voor ons omdat we het midden van de lijn bepalen met zo'n hoge precisie van bijna één deel op 10, 000 van de lijnbreedte."

Om de invloed van de kwantuminterferentie te beschrijven, de wetenschappers voerden geavanceerde numerieke simulaties uit, die zeer goed overeenkomen met de experimentele resultaten. "In ons geval, echter, een speciaal afgeleide, simple fit-functie is voldoende om de effecten van kwantuminterferentie te verwijderen, " benadrukt Vitaly Andreev, ook een afgestudeerde student op het project. "We gebruiken deze fit-functie voor onze gegevensevaluatie. Op deze manier kunnen we de simulatie is alleen nodig voor kleine correcties in de orde van 1 kHz."

Hiermee, het MPQ-team slaagde erin om de frequentie van de 2S-4P-overgang te bepalen met een onzekerheid van 2,3 kHz. Dit komt overeen met een fractionele onzekerheid van 4 delen in 10 ¹² , waardoor dit de op één na beste spectroscopiemeting van waterstof is na de bovengenoemde 1S-2S-overgangsmeting. Door deze resultaten te combineren, de Rydberg-constante en de protongrootte worden bepaald als R _∞ =10973731.568076(96) m ^-1 en r _P =0,8335(95) fm, respectievelijk.

"Onze meting is bijna net zo nauwkeurig als alle eerdere metingen op gewone waterstof gecombineerd, " vat prof. Thomas Udem samen, de projectleider. "We zijn het goed eens met de waarden van muonische waterstof, maar ben het met 3,3 standaarddeviaties niet eens met de gegevens van de waterstofwereld, voor zowel de Rydberg-constante als de protonstraal. Om de oorzaken van deze verschillen te vinden, aanvullende metingen met misschien nog hogere precisie zijn nodig. Ten slotte, men moet in gedachten houden dat veel nieuwe ontdekkingen eerst als discrepanties opdoken."