Esta foto muestra la cámara de vacío utilizada para medir la frecuencia de transición 2S-4P en hidrógeno atómico. El brillo púrpura en la parte posterior proviene de la descarga de microondas que disocia las moléculas de hidrógeno en átomos de hidrógeno. La luz azul en el frente es la fluorescencia del láser ultravioleta que excita los átomos al estado 2S. El resplandor azul turquesa es luz parásita del sistema láser utilizado para medir la frecuencia de la transición 2S-4P. Crédito:MPQ
Fue uno de los avances del año 2010:la espectroscopia láser de hidrógeno muónico dio como resultado un valor para el radio de carga del protón que era significativamente menor, por cuatro desviaciones estándar, que las determinaciones anteriores utilizando hidrógeno regular. Esta discrepancia y su origen han atraído mucha atención en la comunidad científica, con implicaciones para el llamado Modelo Estándar de física.
Ahora, un equipo de científicos de la División de Espectroscopía Láser del Profesor Theodor W. Hänsch en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching ha realizado una nueva medición espectroscópica de hidrógeno regular ( Ciencias , 6 de octubre de 2017). Los valores resultantes para la constante de Rydberg y el radio del protón están en excelente acuerdo con los resultados muónicos ( Naturaleza 466, 213 (2010)), pero discrepa por 3.3 desviaciones estándar con el promedio de las determinaciones previas del hidrógeno regular.
El hidrógeno es el más simple de todos los elementos químicos. Según el modelo propuesto por Niels Bohr en 1913, consta de un solo protón y un electrón que orbita a su alrededor. La teoría de la electrodinámica cuántica predice los niveles de energía de este sistema con 12 dígitos de precisión. Debido a esto, El hidrógeno juega un papel clave en nuestra comprensión de la naturaleza. Su estudio permite la determinación de constantes fundamentales como la constante de Rydberg y el radio de carga del protón.
El hidrógeno es, por tanto, el tema ideal para probar las leyes de la naturaleza. Es por eso que una medición en hidrógeno muónico, resultando en un valor sorprendentemente pequeño para el radio de carga del protón, hizo grandes olas en 2010. En ese experimento, realizado en el Instituto Paul Scherrer en Villingen, Suiza, el electrón del átomo de hidrógeno se reemplaza con su partícula hermana, el muón 200 veces más pesado y de vida corta. La espectroscopia láser de este hidrógeno muónico dio como resultado un valor del radio del protón que era extremadamente preciso, pero cuatro por ciento más pequeño que las mediciones anteriores con hidrógeno regular. "Dado que el muón es 200 veces más pesado que el electrón, orbita mucho más cerca del protón y 'siente' su tamaño, "explica el profesor Randolf Pohl (ahora en Johannes Gutenberg-Universität Mainz), miembro del equipo MPQ. "Debido a esto, el radio del protón tiene una influencia siete órdenes de magnitud mayor en las líneas espectrales que en el hidrógeno regular. Esto nos permite determinar el radio del protón con una precisión tan alta ".
La gran discrepancia entre las medidas del hidrógeno regular y su exótico primo ha provocado muchos debates sobre su origen. "Sin embargo, algunas de las medidas anteriores coinciden de hecho con el valor muónico. La influencia del radio del protón en los niveles de energía en el hidrógeno regular es pequeña, e incluso las mediciones de muy alta precisión tienen dificultades para resolverlo. La discrepancia solo se vuelve significativa cuando se promedian todas las mediciones, "explica Lothar Maisenbacher, uno de los estudiantes de posgrado que trabaja en el proyecto. "Esta es la razón por, para resolver este 'acertijo del radio de protones', nuevas mediciones individuales con alta precisión, y, si es posible, es necesario utilizar diferentes enfoques experimentales ".
Para determinar tanto la constante de Rydberg como el radio de carga del protón a partir de la espectroscopia de hidrógeno regular, Es necesario medir dos frecuencias de transición diferentes. La resonancia más nítida, la llamada transición 1S-2S, sirve como piedra angular en esta determinación. Se ha medido su frecuencia, en 2011, a 15 dígitos por el equipo MPQ ( Phys. Rev. Lett . 107, 203001 (2011)). Esta alta precisión fue posible gracias a la invención del peine de frecuencia, por lo que el profesor Hänsch recibió el Premio Nobel de Física en 2005. Para la segunda medición de frecuencia necesaria, el equipo de MPQ eligió la llamada transición 2S-4P, que conecta el estado 2S metaestable con el estado 4P mucho más corto.
En el experimento, esta transición es excitada por un láser con una longitud de onda de 486 nm y la fluorescencia recolectada de la desintegración del estado 4P sirve como señal. El aparato utilizado anteriormente para la medición 1S-2S sirve como fuente de átomos en el estado 2S. En comparación con experimentos anteriores, que usaban átomos a temperatura ambiente, los átomos probados aquí tienen una temperatura sustancialmente más baja de 5.8 Kelvin y, como consecuencia, una velocidad mucho menor. Esta, junto con técnicas especialmente desarrolladas, suprime fuertemente el desplazamiento Doppler, lo que constituye la mayor fuente de incertidumbre para esta medición.
"Otra fuente de incertidumbre en este experimento es la llamada interferencia cuántica, "explica Lothar Maisenbacher." Si pudiéramos probar una sola, transición aislada, la forma de la línea espectral resultante sería simétrica. Sin embargo, en nuestro caso hay otros dos estados superiores que pueden ser excitados por el láser, llamado 4P1 / 2 y 4P3 / 2. Esto da como resultado una forma ligeramente asimétrica de las líneas espectrales, haciendo que la determinación del centro de la línea sea más desafiante. Si bien este es un efecto muy pequeño, juega un papel importante para nosotros porque determinamos el centro de la línea con una precisión tan alta de casi una parte en 10, 000 del ancho de línea ".
Para describir la influencia de la interferencia cuántica, los científicos realizaron sofisticadas simulaciones numéricas, que están muy de acuerdo con los resultados experimentales. "En nuestro caso, sin embargo, un derivado especialmente, la función de ajuste simple es suficiente para eliminar los efectos de la interferencia cuántica, "enfatiza Vitaly Andreev, también estudiante de posgrado en el proyecto. "Usamos esta función de ajuste para nuestra evaluación de datos. De esta manera, la simulación sólo es necesaria para pequeñas correcciones del orden de 1 kHz ".
Con este, el equipo de MPQ logró determinar la frecuencia de la transición 2S-4P con una incertidumbre de 2,3 kHz. Esto corresponde a una incertidumbre fraccionaria de 4 partes en 10 12 , haciendo de esta la segunda mejor medición espectroscópica de hidrógeno después de la medición de transición 1S-2S antes mencionada. Combinando estos resultados, se determina que la constante de Rydberg y el tamaño del protón son R ∞ =10973731.568076 (96) m -1 y r pag =0,8335 (95) fm, respectivamente.
"Nuestra medición es casi tan precisa como todas las mediciones anteriores con hidrógeno regular combinado, "resume el profesor Thomas Udem, el líder del proyecto. "Estamos de acuerdo con los valores del hidrógeno muónico, pero no está de acuerdo por 3.3 desviaciones estándar con los datos mundiales del hidrógeno, tanto para la constante de Rydberg como para el radio del protón. Para encontrar las causas de estas discrepancias, se necesitan mediciones adicionales con quizás una precisión aún mayor. Después de todo, hay que tener en cuenta que muchos descubrimientos nuevos aparecieron primero como discrepancias ".
