Una collaborazione di ricerca internazionale guidata dallo scienziato della VU Jeroen Koelemeij ha sviluppato un nuovo metodo per misurare le frequenze vibrazionali nello ione idrogeno molecolare con una precisione quattrocento volte superiore rispetto a prima. I risultati migliorano la comprensione delle leggi fondamentali della fisica e delle particelle come il protone, argomenti che sono stati recentemente oggetto di dibattito. I risultati dello studio sono stati pubblicati in Scienza la settimana scorsa.

La collaborazione di ricerca ha studiato la frequenza vibrazionale della molecola più semplice in natura, lo ione idrogeno molecolare (HD+). Jeroen Koelemeij, autore senior del rapporto in Scienza , dice, "Questa frequenza dipende da due aspetti. Il primo è la massa delle particelle nucleari, il protone e il deuterone, e la massa dell'elettrone. Per quelli, utilizziamo valori di riferimento ottenuti con metodi di misurazione preesistenti. Però, questi sono stati oggetto di dibattito poiché alcuni valori molto recenti sono stati trovati in significativo disaccordo con i valori di riferimento più vecchi. Il secondo aspetto è l'interazione tra le due particelle nucleari e l'elettrone. Questo può essere descritto usando l'elettrodinamica quantistica, una teoria che ha previsto con successo il comportamento dei singoli elettroni e dell'atomo di idrogeno (una particella nucleare più un elettrone), e che è stato in ottimo accordo con le osservazioni sperimentali. La domanda ora è se l'elettrodinamica quantistica funzioni altrettanto bene per sistemi più complessi come le molecole".

Teoria ed esperimento confermano le deviazioni precedenti

Il nuovo metodo, sviluppato da Koelemeij e dai collaboratori della LaserLaB Vrije Universiteit con l'aiuto finanziario dell'organizzazione olandese NWO, utilizza una trappola ionica all'interno di una camera a vuoto. In questa trappola sono immagazzinati circa 100 ioni HD+, e raffreddato mediante laser a un millesimo di grado sopra lo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius). Una vibrazione molecolare molto pura viene successivamente eccitata utilizzando altri laser appositamente costruiti, e la sua frequenza misurata.

La frequenza vibrazionale misurata sperimentalmente viene confrontata con il valore teorico come previsto dall'elettrodinamica quantistica, calcolato da fisici francesi e russi. Teoria ed esperimento risultano essere in accordo, consentendo così ai ricercatori di dedurre il rapporto tra massa protone ed elettrone, una quantità ampiamente utilizzata in fisica e chimica, con una precisione senza precedenti.

Koelemeij dice, "Oltre ad essere molto preciso, i nostri risultati confermano le recenti misurazioni devianti della massa e del raggio del protone. Questo è il grande valore del nostro lavoro:mostra che le proprietà del protone, quando è all'interno di una molecola, sono altrettanto "anomali" di quanto recentemente scoperto per singoli protoni e protoni all'interno degli atomi. L'origine dell'anomalia sembra quindi essere nelle misurazioni più vecchie. A parte quello, l'accordo tra teoria ed esperimento preannuncia un altro trionfo per l'elettrodinamica quantistica, che risulta essere valido per le molecole, pure."

Possibile quinta forza

Koelemeij ritiene che il nuovo metodo potrebbe portare a maggiori intuizioni:"La fisica si sta avvicinando a un punto di svolta nella storia. Durante la maggior parte del secolo scorso, osservazioni sperimentali e astronomiche potrebbero sempre essere spiegate o dalla teoria della relatività di Einstein, o il modello standard della fisica e dei campi delle particelle. Ma negli ultimi quattro decenni, prove crescenti suggeriscono che il 95% del nostro universo è costituito da materia oscura ed energia oscura. Nessuno sa di cosa siano fatti".

È stato ipotizzato che la materia oscura e l'energia siano correlate a particelle ancora sconosciute e "quinte forze" della natura, che potrebbe anche influenzare le vibrazioni dell'HD+. Studi più precisi potrebbero rilevare questo come una deviazione tra teoria ed esperimento. Koelemeij dice, "Il nostro esperimento attuale non ha rivelato una tale discrepanza. Eppure possiamo usare i nostri risultati per stabilire un limite superiore più rigoroso alla forza della forza, e la massa di particelle non scoperte."

Koelemeij e colleghi stanno contemplando esperimenti più precisi:"È come un gioco di Mastermind. Colpisci le molecole con un certo colore di luce laser, ed esamina le informazioni che le molecole ti restituiscono. Poi riprovi con un altro colore, e ancora, finché non avrai raccolto tutte le informazioni necessarie per violare il codice della natura."