Alexey Grinin e Dery Taray stanno lavorando al sistema del vuoto dell'esperimento 1S-3S. Credito:Società Max Planck
I fisici del Max Planck Institute of Quantum Optics hanno testato la meccanica quantistica a un livello di precisione completamente nuovo utilizzando la spettroscopia dell'idrogeno, e così facendo si sono avvicinati molto alla risoluzione del noto enigma del raggio di carica dei protoni.
Gli scienziati del Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) sono riusciti a testare l'elettrodinamica quantistica con una precisione senza precedenti fino a 13 cifre decimali. La nuova misurazione è quasi due volte più accurata di tutte le precedenti misurazioni dell'idrogeno messe insieme e avvicina la scienza un passo avanti alla risoluzione del puzzle della dimensione del protone. Questa elevata precisione è stata ottenuta con la tecnica del pettine di frequenza vincitrice del premio Nobel, che ha debuttato qui per la prima volta per eccitare gli atomi nella spettroscopia ad alta risoluzione. I risultati sono pubblicati oggi in Scienza .
Si dice che la fisica sia una scienza esatta. Ciò significa che le previsioni delle teorie fisiche - numeri esatti - possono essere verificate o falsificate mediante esperimenti. L'esperimento è il giudice supremo di qualsiasi teoria. Elettrodinamica quantistica, la versione relativistica della meccanica quantistica, è senza dubbio la teoria di maggior successo fino ad oggi. Consente di eseguire calcoli estremamente precisi, Per esempio, la descrizione dello spettro dell'idrogeno atomico a 12 cifre decimali. L'idrogeno è l'elemento più comune nell'universo e allo stesso tempo il più semplice con un solo elettrone. E ancora, ospita un mistero ancora sconosciuto.
Il puzzle della dimensione del protone
L'elettrone nell'atomo di idrogeno "sente" la dimensione del protone, che si riflette in cambiamenti minimi nei livelli di energia. Per molti decenni, innumerevoli misurazioni sull'idrogeno hanno prodotto un raggio protonico coerente. Ma le indagini spettroscopiche sul cosiddetto idrogeno muonico, in cui l'elettrone è stato sostituito dal suo gemello 200 volte più pesante, il muone, ha rivelato un mistero. Le misurazioni sono state eseguite nel 2010 in collaborazione con Randolf Pohl, a quel tempo capogruppo nel Dipartimento di Spettroscopia Laser del Prof. Hänsch (MPQ) e ora professore presso l'Università Johannes Gutenberg di Magonza. Il valore del raggio del protone che può essere derivato da questi esperimenti è del quattro percento inferiore a quello dell'idrogeno ordinario. Se tutti gli esperimenti sono considerati corretti, sorge una contraddizione con la teoria dell'elettrodinamica quantistica poiché tutte le misurazioni nell'idrogeno muonico e ordinario devono riportare lo stesso raggio protonico, quando tutti i termini teorici sono corretti. Conseguentemente, questo "puzzle del raggio protonico" ha motivato nuove misurazioni di precisione in tutto il mondo. Però, mentre nuove misurazioni da Garching e Toronto hanno confermato il raggio del protone più piccolo, una misurazione da Parigi ha sostenuto ancora una volta il precedente valore più grande.
In questa figura, risultati diversi per il raggio del protone vengono confrontati in femtometro [fm], cioè m. Il nuovo valore della transizione 1S-3S nell'idrogeno ordinario è più vicino al valore ottenuto dalla transizione 2S-2P nell'idrogeno muonico. Sebbene questo atomo esotico possa essere prodotto solo per il breve tempo di due milionesimi di secondo, è particolarmente "sensibile" al raggio del protone. Sopporta quindi gli errori di misurazione più piccoli (barre di errore nere orizzontali). Credito:Società Max Planck
Confronto delle misurazioni
La scienza vive di confronti indipendenti. Ecco perché il team di Garching guidato da Alexey Grinin, Arthur Matveev e Thomas Udem del dipartimento di spettroscopia laser di Theodor Hänsch volevano misurare la stessa transizione di Parigi utilizzando un metodo completamente diverso e quindi complementare. Utilizzando la cosiddetta spettroscopia a pettine di frequenza a due fotoni senza Doppler, ora sono riusciti a migliorare la precisione di un fattore quattro. Il risultato per il raggio del protone era ora due volte più accurato di tutte le precedenti misurazioni sull'idrogeno messe insieme. È la prima volta che la meccanica quantistica viene controllata alla tredicesima cifra decimale. Il valore del raggio del protone così determinato conferma il raggio del protone più piccolo ed esclude quindi la teoria come causa. Perché per la stessa transizione, i risultati sperimentali devono concordare, indipendentemente dalla teoria. La figura seguente (fig. 1) mostra la situazione attuale.
Le valutazioni sulla validità dell'elettrodinamica quantistica sono possibili solo confrontando diverse misurazioni indipendenti. Se la teoria e la sua applicazione sono vere, e tutti gli esperimenti sono condotti correttamente, i valori per il raggio del protone devono concordare tra loro entro i limiti dell'incertezza sperimentale. Ma questo non è il caso, come possiamo vedere nella foto. La rivelazione di questa discrepanza - il puzzle protonico - ha aperto la possibilità che l'elettrodinamica quantistica, la teoria fisica più precisa, potrebbe avere un difetto fondamentale. Il nuovo risultato suggerisce tuttavia che il problema è di natura sperimentale piuttosto che fondamentale. E l'elettrodinamica quantistica avrebbe avuto successo ancora una volta.
Nuova pietra miliare nella spettroscopia a pettine di frequenza
La luce laser blu (410 nm) viene generata come seconda armonica di un laser pulsato Titanio:Zaffiro utilizzando un cristallo non lineare.
Il successo della spettroscopia a pettine di frequenza eseguita in questo progetto rappresenta anche un'importante pietra miliare nella scienza per un altro motivo. La spettroscopia di precisione sull'idrogeno e su altri atomi e molecole è stata finora eseguita quasi esclusivamente con laser ad onda continua. In contrasto, il pettine di frequenza è generato da un laser pulsato. Con tali laser è possibile penetrare a lunghezze d'onda molto più corte fino all'estremo raggio dell'ultravioletto. Con laser ad onda continua, questo sembra essere uno sforzo senza speranza. Ioni molto interessanti, come lo ione elio simile all'idrogeno, hanno le loro transizioni in questa gamma spettrale, ma anche più di 100 anni dopo lo sviluppo della prima teoria quantistica, non possono essere studiati con precisione, il che significa con luce laser. L'esperimento ora presentato è un passo essenziale per cambiare questa situazione insoddisfacente. Inoltre, si spera che questi pettini a frequenza ultravioletta permettano di raffreddare direttamente con il laser elementi biologicamente e chimicamente importanti come l'idrogeno e il carbonio, consentendo alla scienza di studiarli con una precisione ancora maggiore.
