Una colaboración de investigación internacional encabezada por el científico de VU Jeroen Koelemeij desarrolló un nuevo método para medir las frecuencias vibratorias en el ion de hidrógeno molecular con una precisión cuatrocientas veces mayor que antes. Los resultados mejoran la comprensión de las leyes fundamentales de la física y partículas como el protón, temas que recientemente han sido objeto de debate. Los resultados del estudio se publicaron en Ciencias la semana pasada.

La colaboración de investigación estudió la frecuencia vibratoria de la molécula más simple de la naturaleza, el ion de hidrógeno molecular (HD +). Jeroen Koelemeij, autor principal del informe en Ciencias , dice, "Esta frecuencia depende de dos aspectos. El primero es la masa de las partículas nucleares, el protón y el deuterón, y la masa del electrón. Para esos, utilizamos valores de referencia obtenidos con métodos de medición preexistentes. Sin embargo, estos han sido objeto de debate ya que se encontró que algunos valores muy recientes estaban en desacuerdo significativo con los valores de referencia más antiguos. El segundo aspecto es la interacción entre las dos partículas nucleares y el electrón. Esto se puede describir usando electrodinámica cuántica, una teoría que ha predicho con éxito el comportamiento de electrones individuales y el átomo de hidrógeno (una partícula nuclear más un electrón), y que ha estado en excelente acuerdo con las observaciones experimentales. La pregunta ahora es si la electrodinámica cuántica funciona igual de bien para sistemas más complejos como las moléculas ".

La teoría y el experimento confirman desviaciones anteriores

El nuevo método desarrollado por Koelemeij y compañeros de trabajo en LaserLaB Vrije Universiteit con ayuda financiera de la organización holandesa NWO, hace uso de una trampa de iones dentro de una cámara de vacío. Aproximadamente 100 iones HD + se almacenan en esta trampa, y enfriar usando láseres hasta una milésima de grado por encima del cero absoluto (-273,15 grados Celsius). Posteriormente se excita una vibración molecular muy pura utilizando otros láseres especialmente diseñados, y su frecuencia medida.

La frecuencia vibratoria medida experimentalmente se compara con el valor teórico predicho por la electrodinámica cuántica, calculado por físicos franceses y rusos. La teoría y la experimentación resultan estar de acuerdo, permitiendo así a los investigadores inferir la relación de masa protón-electrón, una cantidad ampliamente utilizada en física y química, con una precisión sin precedentes.

Koelemeij dice:"Aparte de ser muy preciso, Nuestros resultados confirman las recientes mediciones desviadas de la masa y el radio del protón. Este es el gran valor de nuestro trabajo:muestra que las propiedades del protón, cuando está dentro de una molécula, son tan "anómalas" como las que se han encontrado recientemente para protones individuales y protones dentro de los átomos. Por tanto, el origen de la anomalía parece estar en las mediciones más antiguas. Aparte de eso, el acuerdo entre la teoría y el experimento presagia otro triunfo de la electrodinámica cuántica, que resulta ser válido para moléculas, también."

Posible quinta fuerza

Koelemeij cree que el nuevo método podría conducir a más conocimientos:"La física se está acercando a un punto de inflexión en la historia. Durante la mayor parte del siglo pasado, Las observaciones experimentales y astronómicas siempre pueden explicarse mediante la teoría de la relatividad de Einstein, o el modelo estándar de campos y física de partículas. Pero durante las últimas cuatro décadas, La creciente evidencia sugiere que el 95% de nuestro universo consiste en materia oscura y energía oscura. Nadie sabe de qué están hechos ".

Se ha especulado que la materia oscura y la energía están relacionadas con partículas aún no descubiertas y 'quintas fuerzas' de la naturaleza. lo que también podría influir en las vibraciones de HD +. Estudios más precisos podrían detectar esto como una desviación entre la teoría y el experimento. Koelemeij dice:"Nuestro experimento actual no ha revelado tal discrepancia. Sin embargo, podemos usar nuestros resultados para establecer un límite superior más estricto a la fuerza de la fuerza, y la masa de partículas no descubiertas ".

Koelemeij y sus compañeros de trabajo están contemplando experimentos más precisos:"Es como un juego de Mastermind. Empujas las moléculas con cierto color de luz láser, y examina la información que te devuelven las moléculas. Luego vuelve a intentarlo con otro color, y nuevamente, hasta que haya recopilado toda la información necesaria para romper el código de la naturaleza ".