Questa foto mostra la camera a vuoto utilizzata per misurare la frequenza di transizione 2S-4P nell'idrogeno atomico. Il bagliore viola nella parte posteriore deriva dalla scarica a microonde che dissocia le molecole di idrogeno in atomi di idrogeno. La luce blu nella parte anteriore è la fluorescenza del laser ultravioletto che eccita gli atomi allo stato 2S. Il bagliore blu turchese è la luce diffusa del sistema laser utilizzato per misurare la frequenza della transizione 2S-4P. Credito:MPQ
È stata una delle scoperte dell'anno 2010:la spettroscopia laser dell'idrogeno muonico ha determinato un valore per il raggio di carica del protone che era significativamente più piccolo, da quattro deviazioni standard, rispetto a precedenti determinazioni utilizzando idrogeno normale. Questa discrepanza e la sua origine hanno attirato molta attenzione nella comunità scientifica, con implicazioni per il cosiddetto Modello Standard della fisica.
Ora, un team di scienziati della divisione di spettroscopia laser del professor Theodor W. Hänsch presso il Max Planck Institute of Quantum Optics a Garching ha effettuato una nuova misurazione spettroscopica dell'idrogeno regolare ( Scienza , 6 ottobre 2017). I valori risultanti per la costante di Rydberg e il raggio del protone sono in ottimo accordo con i risultati muonici ( Natura 466, 213 (2010)), ma non sono d'accordo per 3,3 deviazioni standard con la media delle precedenti determinazioni dall'idrogeno normale.
L'idrogeno è il più semplice di tutti gli elementi chimici. Secondo il modello proposto da Niels Bohr nel 1913, è costituito da un singolo protone e da un elettrone che gli orbita attorno. La teoria dell'elettrodinamica quantistica prevede i livelli di energia di questo sistema con 12 cifre di precisione. A causa di ciò, l'idrogeno gioca un ruolo chiave nella nostra comprensione della natura. Il suo studio permette la determinazione di costanti fondamentali come la costante di Rydberg e il raggio di carica del protone.
L'idrogeno è quindi il soggetto ideale per testare le leggi della natura. Ecco perché una misura sull'idrogeno muonico, risultando in un valore sorprendentemente piccolo per il raggio di carica del protone, ha fatto grandi ondate nel 2010. In quell'esperimento, fatto al Paul Scherrer Institute di Villingen, Svizzera, l'elettrone dell'atomo di idrogeno viene sostituito con la sua particella sorella, il muone 200 volte più pesante e di breve durata. La spettroscopia laser di questo idrogeno muonico ha prodotto un valore del raggio del protone estremamente preciso, ma il quattro percento in meno rispetto alle misurazioni precedenti sull'idrogeno normale. "Poiché il muone è 200 volte più pesante dell'elettrone, orbita molto più vicino al protone e "sente" le sue dimensioni, " spiega il prof. Randolf Pohl (ora alla Johannes Gutenberg-Universität Mainz), un membro del team MPQ. "A causa di ciò, il raggio del protone ha un'influenza di sette ordini di grandezza maggiore sulle righe spettrali rispetto all'idrogeno normale. Questo ci consente di determinare il raggio del protone con una precisione così elevata".
La grande discrepanza tra le misurazioni dell'idrogeno normale e del suo cugino esotico ha suscitato molti dibattiti sulla sua origine. "Però, alcune delle misurazioni precedenti infatti concordano con il valore muonico. L'influenza del raggio del protone sui livelli di energia nell'idrogeno normale è minuscola, e anche misurazioni di altissima precisione faticano a risolverlo. La discrepanza diventa significativa solo quando si fa la media di tutte le misurazioni, " spiega Lothar Maisenbacher, uno dei dottorandi che lavorano al progetto. "Ecco perché, per risolvere questo "puzzle del raggio protonico", nuove misurazioni individuali ad alta precisione, e, se possibile, sono necessari diversi approcci sperimentali."
Per determinare sia la costante di Rydberg che il raggio di carica del protone dalla spettroscopia dell'idrogeno regolare, devono essere misurate due diverse frequenze di transizione. La risonanza di gran lunga più acuta, la cosiddetta transizione 1S-2S, funge da pietra angolare in questa determinazione. La sua frequenza è stata misurata, nel 2011, a 15 cifre dal team MPQ ( Fis. Rev. Lett . 107, 203001 (2011)). Questa alta precisione è stata resa possibile non da ultimo dall'invenzione del pettine di frequenza, per il quale il professor Hänsch è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica nel 2005. Per la seconda misura di frequenza necessaria, il team MPQ ha scelto la cosiddetta transizione 2S-4P, che collega lo stato 2S metastabile con lo stato 4P di durata molto più breve.
Nell'esperimento, questa transizione è eccitata da un laser con una lunghezza d'onda di 486 nm e la fluorescenza raccolta dal decadimento dello stato 4P funge da segnale. L'apparato utilizzato in precedenza per la misurazione 1S-2S funge da sorgente di atomi nello stato 2S. Rispetto agli esperimenti precedenti, che utilizzava atomi a temperatura ambiente, gli atomi qui sondati hanno una temperatura sostanzialmente inferiore di 5,8 Kelvin e, di conseguenza, una velocità molto più bassa. Questo, insieme a tecniche appositamente sviluppate, sopprime fortemente lo spostamento Doppler, che costituisce la più grande fonte di incertezza per questa misurazione.
"Un'altra fonte di incertezza in questo esperimento è la cosiddetta interferenza quantistica, " spiega Lothar Maisenbacher. "Se potessimo sondare un singolo, transizione isolata, la forma della riga spettrale risultante sarebbe simmetrica. Però, nel nostro caso ci sono altri due stati superiori che possono essere eccitati dal laser, chiamato 4P1/2 e 4P3/2. Ciò si traduce in una forma leggermente asimmetrica delle righe spettrali, rendendo la determinazione del centro di linea più impegnativa. Anche se questo è un effetto molto piccolo, gioca un ruolo importante per noi perché determiniamo il centro della linea con una precisione così elevata di quasi una parte su 10, 000 della larghezza della linea."
Per descrivere l'influenza dell'interferenza quantistica, gli scienziati hanno eseguito sofisticate simulazioni numeriche, che sono in ottimo accordo con i risultati sperimentali. "Nel nostro caso, però, un derivato appositamente, la funzione di adattamento semplice è sufficiente per rimuovere gli effetti dell'interferenza quantistica, " sottolinea Vitaly Andreev, anche uno studente laureato sul progetto. "Utilizziamo questa funzione di adattamento per la nostra valutazione dei dati. In questo modo, la simulazione è necessaria solo per piccole correzioni dell'ordine di 1 kHz."
Con questo, il team MPQ è riuscito a determinare la frequenza della transizione 2S-4P con un'incertezza di 2,3 kHz. Ciò corrisponde a un'incertezza frazionaria di 4 parti in 10 12 , rendendo questa la seconda migliore misurazione spettroscopica dell'idrogeno dopo la suddetta misurazione della transizione 1S-2S. Combinando questi risultati, la costante di Rydberg e la dimensione del protone sono determinate come R ? =10973731.568076(96) m -1 e r P =0,8335(95) fm, rispettivamente.
"La nostra misurazione è precisa quasi quanto tutte le misurazioni precedenti sull'idrogeno normale combinato, " riassume il prof. Thomas Udem, il capo progetto. "Siamo in buon accordo con i valori dell'idrogeno muonico, ma non sono d'accordo di 3,3 deviazioni standard con i dati mondiali dell'idrogeno, sia per la costante di Rydberg che per il raggio del protone. Per trovare le cause di queste discrepanze, sono necessarie misurazioni aggiuntive con una precisione forse ancora maggiore. Dopotutto, si dovrebbe tenere a mente che molte nuove scoperte si sono mostrate inizialmente come discrepanze."
