Per la prima volta, un team di ricercatori sotto la guida di TU Darmstadt è riuscito a misurare la transizione tra i livelli di energia degli ioni di bismuto simili al litio con una precisione tale che è diventato possibile rivalutare le teorie sottostanti. Ciò ha portato a un risultato sorprendente:la comprensione dell'interazione tra un elettrone e un nucleo atomico che abbiamo avuto fino ad ora potrebbe essere errata.

Sulla superficie dei nuclei degli atomi di bismuto, esistono campi magnetici che altrimenti sarebbero presenti solo sulla superficie delle stelle di neutroni massicce. Il comportamento degli elettroni in questi campi è stato studiato da un gruppo di ricercatori sotto la guida della Technische Universität Darmstadt. Solo di recente hanno ottenuto una svolta osservando per la prima volta una transizione speciale negli ioni simili al litio di questo elemento.

Ora sono riusciti a misurare questa transizione al GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung di Darmstadt con una tale precisione che è stato possibile per la prima volta rivalutare in modo convincente la teoria sottostante. Nell'ultimo numero della rivista specializzata Comunicazioni sulla natura , gli scienziati danno conto del loro sorprendente risultato:la discrepanza tra la teoria e l'esperimento è impressionante. Suggerisce un errore nella nostra comprensione di come un elettrone interagisce con la complessa struttura interna di un nucleo.

Atomi semplici costituiti da un singolo nucleo e uno o pochi elettroni sono sistemi ideali per verificare la nostra comprensione delle forze fisiche sottostanti in gioco. Abbiamo una migliore comprensione della teoria del guscio elettronico dell'atomo basata sull'elettrodinamica quantistica (QED) rispetto alla struttura reale del nucleo atomico. La QED permette di calcolare con grande accuratezza le proprietà degli elettroni e gli stati in cui l'atomo può esistere. Questi calcoli vengono poi verificati mediante misurazioni di precisione. Ad oggi, QED ha superato tutti questi test a pieni voti.

Quando si utilizzano nuclei pesanti, gli scienziati sono principalmente interessati all'influenza dei giganteschi campi elettrici e magnetici sugli elettroni legati nel guscio. Solo pochissime verifiche sperimentali di questa teoria sono state effettuate in queste condizioni estreme, e non mostrano - di gran lunga - la stessa accuratezza degli esperimenti eseguiti con i nuclei leggeri. I campi forti rendono i calcoli teorici molto più difficili. Inoltre, la complessa struttura interna dei nuclei non è nota con sufficiente precisione sebbene abbia una forte influenza sul guscio atomico.

Per aggirare questa difficoltà, i teorici calcolano alcune differenze per sistemi con diverso numero di elettroni, ma con lo stesso nucleo atomico. Queste cosiddette "differenze specifiche" sono di natura tale che i contributi della struttura del nucleo dovrebbero eliminarsi quasi esattamente e che possono essere utilizzate dai ricercatori come punto di partenza per verificare con maggiore precisione i calcoli della QED. I risultati ora pubblicati, però, sembrano mettere in discussione il concetto di differenza specifica.

Ricerca allo Storage Ring ESR

Nel suo esperimento, il team ha prima generato ioni di bismuto simili all'idrogeno e al litio. Questi ioni sono stati iniettati nell'anello di stoccaggio sperimentale (ESR) presso l'impianto dell'acceleratore GSI che ha una circonferenza di 108 m ed è dotato di due sezioni diritte dove è possibile eseguire esperimenti. In una di queste sezioni, un fascio di elettroni di energia definita si sovrappone al fascio di ioni. Dopo pochi secondi, la velocità degli ioni si adegua a quella degli elettroni. In questa sezione, un raggio laser pulsato è, Inoltre, sovrapposto al fascio ionico. La lunghezza d'onda del laser viene quindi modificata in piccoli incrementi. Quando il laser raggiunge esattamente la lunghezza d'onda della transizione dello ione da indagare, gli ioni assorbono particelle luminose (fotoni) – e quindi energia – dal raggio laser. Gli ioni che vengono eccitati in questo modo rilasciano questa energia dopo poco tempo, emettendo così un numero molto piccolo di fotoni.

Questo piccolo numero di fotoni è stato rilevato in modo efficiente per mezzo di uno speciale sistema di rilevamento a specchio e a fotone singolo sviluppato presso l'Università di Münster. A causa dell'elevata velocità, la lunghezza d'onda del laser è compressa o allungata di un fattore di circa 2,4, per un laser contropropagante o copropagante, rispettivamente. Questo fattore dipende dalla tensione di accelerazione degli elettroni. Per misurare questa alta tensione di circa 214, 000 volt con una precisione dell'ordine di 1 V, è stato utilizzato un partitore ad alta tensione sviluppato presso PTB a Braunschweig. Gli scienziati della TU Darmstadt erano responsabili, tra l'altro per l'acquisizione dei dati e la sincronizzazione degli impulsi laser in funzione del tempo, che durano solo pochi miliardesimi di secondo (nanosecondi) con la rivoluzione degli ioni all'interno dell'anello di accumulo. Hanno anche analizzato i dati.

La differenza specifica nelle lunghezze d'onda di transizione misurate nel bismuto simile all'idrogeno e al bismuto simile al litio non concorda con la previsione teorica, anche quando si prendono in considerazione tutte le fonti note di errori sistematici. La causa di questa deviazione non è ancora nota e deve essere studiata nell'ambito di ulteriori misurazioni con altri isotopi del bismuto. Questi isotopi sono, però, radioattivo e deve quindi essere prodotto prima di essere iniettato nell'anello di stoccaggio. Queste possibilità sono disponibili presso il GSI Helmholtzzentrum. Il nuovo impianto di accelerazione, GIUSTO, la cui costruzione a Darmstadt inizierà presto, offrirà nuove possibilità per ulteriori indagini su questo argomento.