Uovertruffen nøjagtighed inden for kvanteelektrodynamik:Kæmpespring mod at løse protonladningsradiuspuslespil

Fysikere ved Max Planck Institute of Quantum Optics har testet kvantemekanik til et helt nyt niveau af præcision ved hjælp af brintspektroskopi, og dermed kom de meget tættere på at løse det velkendte protonladningsradiuspuslespil.

Forskere ved Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) er lykkedes med at teste kvanteelektrodynamik med hidtil uset nøjagtighed til 13 decimaler. Den nye måling er næsten dobbelt så nøjagtig som alle tidligere brintmålinger tilsammen og flytter videnskaben et skridt tættere på at løse protonstørrelsespuslespillet. Denne høje nøjagtighed blev opnået ved den nobelprisvindende frekvenskamteknik, som debuterede her for første gang for at excitere atomer i højopløsningsspektroskopi. Resultaterne offentliggøres i dag i Videnskab .

Fysik siges at være en eksakt videnskab. Det betyder, at forudsigelser af fysiske teorier –  nøjagtige tal –  kan verificeres eller forfalskes af eksperimenter. Eksperimentet er den højeste dommer i enhver teori. Kvanteelektrodynamik, den relativistiske version af kvantemekanik, er uden tvivl den mest succesrige teori til dato. Det gør det muligt at udføre ekstremt præcise beregninger, for eksempel, beskrivelsen af ​​atombrintens spektrum til 12 decimaler. Brint er det mest almindelige element i universet og samtidig det enkleste med kun én elektron. Og stadig, det er vært for et mysterium, der endnu ikke er kendt.

Proton størrelse puslespil

Elektronen i brintatomet "fornemmer" størrelsen af ​​protonen, hvilket afspejles i minimale skift i energiniveauer. I mange årtier, utallige målinger på brint har givet en konsistent protonradius. Men spektroskopiske undersøgelser af det såkaldte muoniske hydrogen, hvor elektronen blev erstattet af sin 200 gange tungere tvilling - myonen - afslørede et mysterium. Målingerne er udført i 2010 i samarbejde med Randolf Pohl, på det tidspunkt gruppeleder i Laser Spectroscopy Department af Prof. Hänsch (MPQ) og nu professor ved Johannes Gutenberg Universitetet i Mainz. Værdien for den protonradius, der kan udledes af disse eksperimenter, er fire procent mindre end for almindelig brint. Hvis alle eksperimenterne menes at være korrekte, en modsætning til teorien om kvanteelektrodynamik opstår, da alle målinger i muonisk og almindelig brint skal rapportere den samme protonradius, når alle teoretiske udtryk er korrekte. Som konsekvens, dette "protonradiuspuslespil" motiverede nye præcisionsmålinger over hele verden. Imidlertid, mens nye målinger fra Garching og Toronto bekræftede den mindre protonradius, en måling fra Paris understøttede igen den tidligere større værdi.

Sammenligning af mål

Videnskaben trives med uafhængige sammenligninger. Det er derfor, Garching -teamet ledet af Alexey Grinin, Arthur Matveev og Thomas Udem fra Theodor Hänschs Laserspektroskopiafdeling ønskede at måle den samme overgang som i Paris ved hjælp af en helt anden og dermed komplementær metode. Ved at bruge den såkaldte Doppler-fri to-foton frekvens kamspektroskopi, det er nu lykkedes dem at forbedre nøjagtigheden med en faktor fire. Resultatet for protonradius var nu dobbelt så præcist som alle de tidligere målinger på brint tilsammen. Det er første gang, at kvantemekanikken kontrolleres med trettende decimal. Værdien for protonradius bestemt på denne måde bekræfter den mindre protonradius og udelukker dermed teorien som årsag. Fordi for den samme overgang, forsøgsresultaterne skal stemme overens, uanset teorien. Følgende figur (fig. 1) viser den aktuelle situation.

Evalueringer af gyldigheden af ​​kvanteelektrodynamik er kun mulige med flere uafhængige målinger sammenlignet. Hvis teorien og dens anvendelse holder stik, og alle forsøg udføres korrekt, værdierne for protonradius skal stemme overens med hinanden inden for den eksperimentelle usikkerheds grænser. Men det er ikke tilfældet, som vi kan se på billedet. Videregivelsen af ​​denne uoverensstemmelse - protonpuslespillet - åbnede muligheden for, at kvanteelektrodynamik, den mest præcise fysiske teori, kan have en grundlæggende fejl. Det nye resultat tyder dog på, at problemet er af eksperimentel snarere end fundamental karakter. Og kvanteelektrodynamik ville være lykkedes igen.

Ny milepæl inden for frekvenskamspektroskopi

Blåt laserlys (410nm) genereres som den anden harmoniske af en pulseret Titanium:Sapphire-laser, der anvender en ikke-lineær krystal.

Succesen med frekvenskamspektroskopi udført i dette projekt betyder også en vigtig milepæl i videnskaben af ​​en anden grund. Præcisionsspektroskopi på brint og andre atomer og molekyler er hidtil næsten udelukkende blevet udført med kontinuerlige bølgelasere. I modsætning, frekvenskammen genereres af en pulserende laser. Med sådanne lasere er det muligt at trænge igennem til meget kortere bølgelængder op til det ekstreme ultraviolette område. Med kontinuerlige bølgelasere, dette ser ud til at være en håbløs bestræbelse. Meget interessante ioner, såsom den brintlignende heliumion, har deres overgange i dette spektrale område, men selv mere end 100 år efter udviklingen af ​​den første kvanteteori, de kan ikke studeres præcist, hvilket betyder med laserlys. Det eksperiment, der nu præsenteres, er et væsentligt skridt til at ændre denne utilfredsstillende situation. Ud over, Det er håbet, at disse ultraviolette frekvenskamme vil gøre det muligt for biologisk og kemisk vigtige elementer som brint og kulstof at blive afkølet direkte med laser, gør det muligt for videnskaben at studere dem med endnu højere præcision.