Los físicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica han probado la mecánica cuántica a un nivel de precisión completamente nuevo utilizando espectroscopía de hidrógeno, y al hacerlo, estuvieron mucho más cerca de resolver el conocido rompecabezas del radio de carga de protones.

Los científicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) han logrado probar la electrodinámica cuántica con una precisión sin precedentes de 13 decimales. La nueva medición es casi el doble de precisa que todas las mediciones de hidrógeno anteriores combinadas y hace que la ciencia esté un paso más cerca de resolver el rompecabezas del tamaño de los protones. Esta alta precisión se logró mediante la técnica de peine de frecuencia ganadora del Premio Nobel, que debutó aquí por primera vez para excitar átomos en espectroscopía de alta resolución. Los resultados se publican hoy en Ciencias .

Se dice que la física es una ciencia exacta. Esto significa que las predicciones de teorías físicas (números exactos) pueden verificarse o falsificarse mediante experimentos. El experimento es el juez más alto de cualquier teoría. Electrodinámica cuántica, la versión relativista de la mecánica cuántica, es sin duda la teoría más exitosa hasta la fecha. Permite realizar cálculos extremadamente precisos, por ejemplo, la descripción del espectro del hidrógeno atómico con 12 decimales. El hidrógeno es el elemento más común del universo y al mismo tiempo el más simple con un solo electrón. Y todavía, alberga un misterio aún desconocido.

El rompecabezas del tamaño del protón

El electrón en el átomo de hidrógeno "detecta" el tamaño del protón, lo que se refleja en cambios mínimos en los niveles de energía. Durante muchas décadas, innumerables mediciones del hidrógeno han arrojado un radio de protón constante. Pero las investigaciones espectroscópicas del llamado hidrógeno muónico, en el que el electrón fue reemplazado por su gemelo 200 veces más pesado, el muón, reveló un misterio. Las mediciones se realizaron en 2010 en colaboración con Randolf Pohl, en ese momento líder de grupo en el Departamento de Espectroscopía Láser del Prof. Hänsch (MPQ) y ahora profesor en la Universidad Johannes Gutenberg en Mainz. El valor del radio del protón que se puede derivar de estos experimentos es un cuatro por ciento más pequeño que el del hidrógeno ordinario. Si se cree que todos los experimentos son correctos, surge una contradicción con la teoría de la electrodinámica cuántica, ya que todas las mediciones en hidrógeno muónico y ordinario deben informar el mismo radio de protón, cuando todos los términos teóricos son correctos. En consecuencia, este "rompecabezas del radio de protones" motivó nuevas mediciones de precisión en todo el mundo. Sin embargo, mientras que las nuevas mediciones de Garching y Toronto confirmaron el radio de protones más pequeño, una medición de París nuevamente apoyó el valor anterior más grande.

Comparando medidas

La ciencia prospera con comparaciones independientes. Es por eso que el equipo de Garching dirigido por Alexey Grinin, Arthur Matveev y Thomas Udem del Departamento de Espectroscopía Láser de Theodor Hänsch querían medir la misma transición que en París utilizando un método completamente diferente y, por lo tanto, complementario. Utilizando la llamada espectroscopia de peine de frecuencia de dos fotones sin Doppler, ahora han logrado mejorar la precisión en un factor de cuatro. El resultado para el radio del protón era ahora dos veces más preciso que todas las mediciones anteriores sobre hidrógeno juntas. Es la primera vez que se comprueba la mecánica cuántica hasta el decimotercer lugar decimal. El valor del radio del protón determinado de esta manera confirma el radio del protón más pequeño y, por lo tanto, excluye la teoría como causa. Porque para la misma transición, los resultados experimentales deben coincidir, independientemente de la teoría. La siguiente figura (fig. 1) muestra la situación actual.

Las evaluaciones sobre la validez de la electrodinámica cuántica solo son posibles si se comparan varias mediciones independientes. Si la teoría y su aplicación son verdaderas, y todos los experimentos se realizan correctamente, los valores del radio del protón deben coincidir entre sí dentro de los límites de la incertidumbre experimental. Pero este no es el caso como podemos ver en la imagen. La revelación de esta discrepancia, el rompecabezas de los protones, abrió la posibilidad de que la electrodinámica cuántica, la teoría física más precisa, puede tener un defecto fundamental. Sin embargo, el nuevo resultado sugiere que el problema es de naturaleza experimental más que fundamental. Y la electrodinámica cuántica habría tenido éxito una vez más.

Nuevo hito en espectroscopia de peine de frecuencia

La luz láser azul (410 nm) se genera como el segundo armónico de un láser pulsado de titanio:zafiro que utiliza un cristal no lineal.

El éxito de la espectroscopia de peine de frecuencia realizada en este proyecto también significa un hito importante en la ciencia por otra razón. Hasta ahora, la espectroscopia de precisión en hidrógeno y otros átomos y moléculas se ha realizado casi exclusivamente con láseres de onda continua. A diferencia de, el peine de frecuencia es generado por un láser pulsado. Con tales láseres es posible penetrar en longitudes de onda mucho más cortas hasta el rango ultravioleta extremo. Con láseres de onda continua, esto parece ser un esfuerzo desesperado. Iones muy interesantes, como el ion helio similar al hidrógeno, tienen sus transiciones en este rango espectral, pero incluso más de 100 años después del desarrollo de la primera teoría cuántica, no se pueden estudiar con precisión, lo que significa con luz láser. El experimento que ahora se presenta es un paso esencial para cambiar esta situación insatisfactoria. Además, Se espera que estos peines de frecuencia ultravioleta permitan que elementos biológica y químicamente importantes como el hidrógeno y el carbono se enfríen directamente por láser. permitiendo que la ciencia los estudie con una precisión aún mayor.