Ny metode til at måle vibrationsfrekvenser i molekylære brintioner

Et internationalt forskningssamarbejde ledet af VU-forsker Jeroen Koelemeij udviklede en ny metode til at måle vibrationsfrekvenser i den molekylære brintion med fire hundrede gange højere præcision end tidligere. Resultaterne forbedrer forståelsen af ​​fysikkens grundlæggende love og partikler såsom protonen - emner, som for nylig har været genstand for debat. Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i Videnskab sidste uge.

Forskningssamarbejdet studerede vibrationsfrekvensen af ​​det simpleste molekyle i naturen, den molekylære hydrogenion (HD+). Jeroen Koelemeij, seniorforfatter af rapporten i Videnskab , siger, "Denne frekvens er afhængig af to aspekter. Den første er massen af ​​de nukleare partikler - protonen og deuteronen - og elektronens masse. For dem, vi bruger referenceværdier opnået med allerede eksisterende målemetoder. Imidlertid, disse har været under debat, siden nogle meget nylige værdier viste sig at være i væsentlig uenighed med ældre referenceværdier. Det andet aspekt er interaktionen mellem de to nukleare partikler og elektronen. Dette kan beskrives ved hjælp af kvanteelektrodynamik, en teori, der med succes har forudsagt opførsel af enkelte elektroner og brintatomet (en nuklear partikel plus en elektron), og som har været i udmærket overensstemmelse med eksperimentelle observationer. Spørgsmålet er nu, om kvanteelektrodynamik fungerer lige så godt for mere komplekse systemer som molekyler."

Teori og eksperiment bekræfter tidligere afvigelser

Den nye metode, udviklet af Koelemeij og kolleger ved LaserLaB Vrije Universiteit med økonomisk støtte fra den hollandske NWO-organisation, gør brug af en ionfælde inde i et vakuumkammer. Omkring 100 HD+ ioner er lagret i denne fælde, og afkøles ved hjælp af lasere til en tusindedel af en grad over det absolutte nul (-273,15 grader Celsius). En meget ren molekylær vibration exciteres efterfølgende ved hjælp af andre specialbyggede lasere, og dens frekvens målt.

Den eksperimentelt målte vibrationsfrekvens sammenlignes med den teoretiske værdi som forudsagt af kvanteelektrodynamik, beregnet af franske og russiske fysikere. Teori og eksperiment viser sig at være enige, hvilket gør det muligt for forskerne at udlede proton-til-elektronmasseforholdet, en meget brugt mængde i fysik og kemi, med hidtil uset præcision.

Koelemeij siger, "Udover at være meget præcis, vores resultater bekræfter de seneste afvigende målinger af protonmassen og protonradius. Dette er den store værdi af vores arbejde:Det viser, at protonens egenskaber, når det er inde i et molekyle, er lige så 'anomale' som for nylig fundet for enkelte protoner og protoner inde i atomer. Oprindelsen af ​​anomalien ser derfor ud til at ligge i de ældre målinger. Udover det, overensstemmelsen mellem teori og eksperiment varsler endnu en triumf for kvanteelektrodynamikken, hvilket viser sig at være gyldigt for molekyler, også."

Mulig femte kraft

Koelemeij mener, at den nye metode kan føre til mere indsigt:"Fysikken nærmer sig et vendepunkt i historien. I det meste af det sidste århundrede, eksperimentelle og astronomiske observationer kunne altid forklares med enten Einsteins relativitetsteori, eller standardmodellen for partikelfysik og felter. Men i løbet af de sidste fire årtier, voksende beviser tyder på, at 95% af vores univers består af mørkt stof og mørk energi. Ingen ved, hvad de er lavet af."

Det er blevet spekuleret i, at mørkt stof og energi er relateret til endnu uopdagede partikler og 'femte kræfter' i naturen, hvilket også kan påvirke vibrationerne i HD+. Mere præcise undersøgelser vil måske opdage dette som en afvigelse mellem teori og eksperiment. Koelemeij siger, "Vores nuværende eksperiment har ikke afsløret en sådan uoverensstemmelse. Alligevel kan vi bruge vores resultater til at sætte en strengere øvre grænse til styrken af ​​kraften, og massen af ​​uopdagede partikler. "

Koelemeij og kolleger overvejer mere præcise eksperimenter:"Det er som et spil Mastermind. Du stikker molekylerne med en bestemt farve laserlys, og undersøg den information, molekylerne giver tilbage til dig. Så prøver du igen med en anden farve, og igen – indtil du har samlet al den information, der er nødvendig for at bryde naturens kode."