Natuurkundigen van het Max Planck Institute of Quantum Optics hebben de kwantummechanica getest tot een volledig nieuw niveau van precisie met behulp van waterstofspectroscopie, en daarmee kwamen ze veel dichter bij het oplossen van de bekende protonladingsradiuspuzzel.

Wetenschappers van het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) zijn erin geslaagd kwantumelektrodynamica te testen met ongekende nauwkeurigheid tot op 13 decimalen. De nieuwe meting is bijna twee keer zo nauwkeurig als alle eerdere waterstofmetingen gecombineerd en brengt de wetenschap een stap dichter bij het oplossen van de puzzel van de protongrootte. Deze hoge nauwkeurigheid werd bereikt door de Nobelprijswinnende frequentiekamtechniek, die hier voor het eerst debuteerde om atomen in hoge resolutie spectroscopie te exciteren. De resultaten worden vandaag gepubliceerd in Wetenschap .

Natuurkunde zou een exacte wetenschap zijn. Dit betekent dat voorspellingen van natuurkundige theorieën – exacte getallen – door experimenten kunnen worden geverifieerd of vervalst. Het experiment is de hoogste beoordelaar van elke theorie. Kwantumelektrodynamica, de relativistische versie van de kwantummechanica, is zonder twijfel de meest succesvolle theorie tot nu toe. Hiermee kunnen uiterst nauwkeurige berekeningen worden uitgevoerd, bijvoorbeeld, de beschrijving van het spectrum van atomaire waterstof tot 12 cijfers achter de komma. Waterstof is het meest voorkomende element in het heelal en tegelijkertijd het eenvoudigste met slechts één elektron. En toch, het herbergt een mysterie nog onbekend.

De puzzel van de protongrootte

Het elektron in het waterstofatoom "voelt" de grootte van het proton, wat tot uiting komt in minimale verschuivingen in energieniveaus. Gedurende vele decennia, talloze metingen aan waterstof hebben een consistente protonstraal opgeleverd. Maar spectroscopisch onderzoek van de zogenaamde muonische waterstof, waarin het elektron werd vervangen door zijn 200 keer zwaardere tweelingbroer - het muon - onthulde een mysterie. De metingen zijn in 2010 uitgevoerd in samenwerking met Randolf Pohl, destijds groepsleider bij de afdeling laserspectroscopie van prof. Hänsch (MPQ) en nu hoogleraar aan de Johannes Gutenberg-universiteit in Mainz. De waarde voor de protonstraal die uit deze experimenten kan worden afgeleid, is vier procent kleiner dan die van gewone waterstof. Als wordt aangenomen dat alle experimenten correct zijn, een tegenspraak met de theorie van kwantumelektrodynamica ontstaat omdat alle metingen in muonische en gewone waterstof dezelfde protonstraal moeten rapporteren, wanneer alle theoretische termen correct zijn. Als gevolg, deze "protonradiuspuzzel" motiveerde nieuwe precisiemetingen over de hele wereld. Echter, terwijl nieuwe metingen van Garching en Toronto de kleinere protonstraal bevestigden, een meting uit Parijs ondersteunde opnieuw de eerdere grotere waarde.

Metingen vergelijken

Wetenschap gedijt op onafhankelijke vergelijkingen. Dat is waarom het Garching-team onder leiding van Alexey Grinin, Arthur Matveev en Thomas Udem van de afdeling Laserspectroscopie van Theodor Hänsch wilden dezelfde overgang meten als in Parijs met een heel andere en dus complementaire methode. Met behulp van de zogenaamde Doppler-vrije twee-foton frequentiekam spectroscopie, ze zijn er nu in geslaagd de nauwkeurigheid met een factor vier te verbeteren. Het resultaat voor de protonstraal was nu twee keer zo nauwkeurig als alle eerdere metingen op waterstof samen. Het is de eerste keer dat de kwantummechanica tot op de dertiende decimaal wordt gecontroleerd. De zo bepaalde waarde voor de protonstraal bevestigt de kleinere protonstraal en sluit daarmee de theorie als oorzaak uit. Want voor dezelfde overgang, de experimentele resultaten moeten overeenkomen, ongeacht de theorie. De volgende figuur (fig. 1) geeft de huidige situatie weer.

Evaluaties over de validiteit van kwantumelektrodynamica zijn alleen mogelijk als verschillende onafhankelijke metingen worden vergeleken. Als de theorie en de toepassing ervan waar zijn, en alle experimenten correct worden uitgevoerd, de waarden voor de protonstraal moeten binnen de grenzen van de experimentele onzekerheid met elkaar overeenkomen. Maar dit is niet het geval, zoals we op de foto kunnen zien. De onthulling van deze discrepantie – de protonenpuzzel – opende de mogelijkheid dat kwantumelektrodynamica, de meest nauwkeurige natuurkundige theorie, kan een fundamentele fout bevatten. Het nieuwe resultaat suggereert echter dat het probleem eerder van experimentele dan van fundamentele aard is. En kwantumelektrodynamica zou opnieuw geslaagd zijn.

Nieuwe mijlpaal in frequentiekamspectroscopie

Blauw laserlicht (410nm) wordt gegenereerd als de tweede harmonische van een gepulseerde titanium:saffierlaser die een niet-lineair kristal gebruikt.

Het succes van de in dit project uitgevoerde frequentiekamspectroscopie betekent ook om een ​​andere reden een belangrijke mijlpaal in de wetenschap. Precisiespectroscopie op waterstof en andere atomen en moleculen is tot nu toe vrijwel uitsluitend uitgevoerd met continue golflasers. In tegenstelling tot, de frequentiekam wordt gegenereerd door een gepulste laser. Met dergelijke lasers is het mogelijk om tot veel kortere golflengten tot in het extreem ultraviolette bereik door te dringen. Met continue golflasers, dit lijkt een hopeloze onderneming. Zeer interessante ionen, zoals het waterstofachtige heliumion, hebben hun overgangen in dit spectrale bereik, maar zelfs meer dan 100 jaar na de ontwikkeling van de eerste kwantumtheorie, ze kunnen niet precies worden bestudeerd, wat betekent met laserlicht. Het nu gepresenteerde experiment is een essentiële stap om deze onbevredigende situatie te veranderen. In aanvulling, het is te hopen dat deze ultraviolette frequentiekammen het mogelijk zullen maken dat biologisch en chemisch belangrijke elementen zoals waterstof en koolstof direct door laser worden gekoeld, waardoor de wetenschap ze met nog grotere precisie kan bestuderen.