Por primera vez, Un equipo de investigadores bajo la dirección de TU Darmstadt ha logrado medir la transición entre los niveles de energía de los iones de bismuto similares al litio con tal precisión que ha sido posible reevaluar las teorías subyacentes. Esto ha llevado a un resultado sorprendente:la comprensión de la interacción entre un electrón y un núcleo atómico que hemos tenido hasta ahora podría ser errónea.

En la superficie de los núcleos de los átomos de bismuto, Existen campos magnéticos que, de otro modo, solo están presentes en la superficie de estrellas de neutrones masivas. El comportamiento de los electrones en estos campos ha sido investigado por un grupo de investigadores bajo la dirección de Technische Universität Darmstadt. Solo recientemente han logrado un gran avance al observar por primera vez una transición especial en iones similares al litio de este elemento.

Ahora han logrado medir esta transición en el GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung en Darmstadt con tal precisión que fue posible por primera vez reevaluar la teoría subyacente de manera convincente. En el último número de la revista especializada Comunicaciones de la naturaleza , los científicos dan cuenta de su sorprendente resultado:la discrepancia entre la teoría y el experimento es sorprendente. Sugiere un error en nuestra comprensión de cómo un electrón interactúa con la compleja estructura interna de un núcleo.

Los átomos simples que constan de un solo núcleo y uno o unos pocos electrones son sistemas ideales para comprobar nuestra comprensión de las fuerzas físicas subyacentes en juego. Tenemos una mejor comprensión de la teoría de la capa de electrones del átomo basada en la electrodinámica cuántica (QED) que de la estructura real del núcleo atómico. La QED permite calcular con gran precisión las propiedades de los electrones y los estados en los que puede existir el átomo. Luego, estos cálculos se verifican mediante mediciones de precisión. Hasta la fecha, QED ha superado todas estas pruebas con gran éxito.

Cuando se utilizan núcleos pesados, los científicos están interesados ​​principalmente en la influencia de los gigantescos campos eléctricos y magnéticos sobre los electrones unidos a la capa. Solo se han realizado muy pocas verificaciones experimentales de esta teoría en estas condiciones extremas. y no presentan, de lejos, la misma precisión que los experimentos realizados con núcleos ligeros. Los campos fuertes dificultan mucho los cálculos teóricos. Además, la compleja estructura interna de los núcleos no se conoce con suficiente precisión, aunque tiene una fuerte influencia en la capa atómica.

Para superar esta dificultad, Los teóricos calculan ciertas diferencias para sistemas con diferentes números de electrones, pero con el mismo núcleo atómico. Estas llamadas "diferencias específicas" son de tal naturaleza que las contribuciones de la estructura del núcleo deberían eliminarse casi exactamente y que pueden ser utilizadas por los investigadores como punto de partida para comprobar los cálculos de QED con más precisión. Los resultados que ahora se han publicado, sin embargo, parecen cuestionar el concepto de diferencia específica.

Investigación en Storage Ring ESR

En su experimento, El equipo primero generó iones de bismuto similares al hidrógeno y al litio. Estos iones se inyectaron en el anillo de almacenamiento experimental (ESR) en la instalación del acelerador GSI que tiene una circunferencia de 108 my está equipada con dos secciones rectas donde se pueden realizar experimentos. En una de esas secciones, un haz de electrones de energía definida se superpone al haz de iones. Después de unos segundos, la velocidad de los iones se ajusta a la de los electrones. En esta sección, un rayo láser pulsado es, además, superpuesto con el haz de iones. Luego, la longitud de onda del láser se modifica en pequeños incrementos. Cuando el láser alcanza exactamente la longitud de onda de la transición del ion a investigar, los iones absorben partículas de luz (fotones) - y por lo tanto energía - del rayo láser. Los iones que se excitan de esta manera liberan esta energía después de un corto tiempo, emitiendo así una cantidad muy pequeña de fotones.

Esta pequeña cantidad de fotones se detectó de manera eficiente por medio de un espejo especial y un sistema de detección de fotón único desarrollado en la Universidad de Münster. Debido a la alta velocidad, la longitud de onda del láser se comprime o estira en un factor de aproximadamente 2,4, para un láser de contrapropagación o copropagación, respectivamente. Este factor depende del voltaje de aceleración de los electrones. Para medir este alto voltaje de aproximadamente 214, 000 voltios con una precisión del orden de 1 V, Se utilizó un divisor de alto voltaje desarrollado en PTB en Braunschweig. Los científicos de TU Darmstadt fueron responsables, entre otras cosas para la adquisición de datos y la sincronización dependiente del tiempo de los pulsos láser, que solo duran unas mil millonésimas de segundo (nanosegundos) con la revolución de los iones dentro del anillo de almacenamiento. También analizaron los datos.

La diferencia específica en las longitudes de onda de transición medidas en bismuto similar al hidrógeno y al litio no concuerda con la predicción teórica, incluso si se tienen en cuenta todas las fuentes conocidas de errores sistemáticos. La causa de esta desviación aún no se conoce y debe investigarse dentro del alcance de otras mediciones con otros isótopos de bismuto. Estos isótopos son, sin embargo, radiactivo y, por lo tanto, debe producirse antes de inyectarse en el anillo de almacenamiento. Estas posibilidades están disponibles en GSI Helmholtzzentrum. La nueva instalación del acelerador, JUSTA, cuya construcción en Darmstadt pronto comenzará, proporcionará nuevas posibilidades para futuras investigaciones sobre este tema.