Detta foto visar vakuumkammaren som används för att mäta 2S-4P-övergångsfrekvensen i atomväte. Det lila skenet i ryggen härrör från mikrovågsurladdningen som dissocierar vätemolekyler till väteatomer. Det blå ljuset på framsidan är fluorescens från den ultravioletta lasern som exciterar atomerna till 2S -tillståndet. Det turkosblå skenet är strålande ljus från lasersystemet som används för att mäta frekvensen för 2S-4P-övergången. Upphovsman:MPQ
Det var ett av årets genombrott:Laserspektroskopi av muoniskt väte resulterade i ett värde för protonladdningsradien som var betydligt mindre, med fyra standardavvikelser, än tidigare bestämningar med vanligt väte. Denna skillnad och dess ursprung har väckt stor uppmärksamhet i det vetenskapliga samfundet, med konsekvenser för den så kallade fysiska standardmodellen.
Nu, ett team av forskare från laserspektroskopi -avdelningen för professor Theodor W. Hänsch vid Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching har gjort en ny spektroskopisk mätning av vanligt väte ( Vetenskap , 6 oktober 2017). De resulterande värdena för Rydberg -konstanten och protonradien överensstämmer utmärkt med de muoniska resultaten ( Natur 466, 213 (2010)), men håller inte med 3,3 standardavvikelser med genomsnittet av de tidigare bestämningarna från vanligt väte.
Väte är det enklaste av alla kemiska grundämnen. Enligt den modell som Niels Bohr föreslog 1913, den består av en enda proton och en elektron som kretsar runt den. Teorin om kvantelektrodynamik förutsäger energinivåerna i detta system med 12 siffror med precision. På grund av detta, väte spelar en nyckelroll i vår förståelse av naturen. Dess studie möjliggör bestämning av grundläggande konstanter som Rydberg -konstanten och protonladdningsradien.
Väte är alltså det perfekta ämnet för att testa naturlagarna. Det är därför en mätning på muoniskt väte, vilket resulterar i ett förvånansvärt litet värde för protonladdningsradien, gjorde stora vågor 2010. I det experimentet, gjort vid Paul Scherrer -institutet i Villingen, Schweiz, elektronen i väteatomen ersätts med sin systerpartikel, den 200 gånger tyngre och kortlivade muonen. Laserspektroskopi av detta muoniska väte resulterade i ett värde av protonradien som var extremt exakt, men fyra procent mindre än tidigare mätningar på vanligt väte. "Eftersom muonen är 200 gånger tyngre än elektronen, den kretsar mycket närmare protonen och 'känner' sin storlek, "förklarar professor Randolf Pohl (nu vid Johannes Gutenberg-Universität Mainz), medlem i MPQ -teamet. "På grund av detta, protonradien har sju storleksordningar större inflytande på spektrallinjerna än i vanligt väte. Detta gör att vi kan bestämma protonradien med så hög precision. "
Den stora skillnaden mellan mätningarna av vanligt väte och dess exotiska kusin har väckt många debatter om dess ursprung. "Dock, några av de tidigare mätningarna stämmer faktiskt överens med det muoniska värdet. Protonradius påverkan på energinivåerna i vanligt väte är liten, och även mycket hög precision mätningar kämpar för att lösa det. Skillnaden blir bara signifikant när alla mätningar är genomsnittliga, "förklarar Lothar Maisenbacher, en av doktoranderna som arbetar med projektet. "Det här är varför, för att lösa detta 'protonradie -pussel', nya individuella mätningar med hög precision, och, om möjligt, det är nödvändigt att använda olika experimentella metoder. "
För att bestämma både Rydbergkonstanten och protonladdningsradien från spektroskopi av vanligt väte, två olika övergångsfrekvenser måste mätas. Den klart skarpaste resonansen, den så kallade 1S-2S-övergången, fungerar som en hörnsten i denna bestämning. Dess frekvens har mätts, under 2011, till 15 siffror av MPQ -teamet ( Phys. Rev Lett . 107, 203001 (2011)). Denna höga precision möjliggjordes inte minst genom uppfinningen av frekvenskammen, för vilken professor Hänsch tilldelades Nobelpriset i fysik 2005. För den andra frekvensmätningen som behövs, MPQ-teamet valde den så kallade 2S-4P-övergången, som förbinder det metastabila 2S -tillståndet med det mycket kortare levande 4P -tillståndet.
I experimentet, denna övergång exciteras av en laser med en våglängd på 486 nm och den insamlade fluorescensen från sönderfallet i 4P -tillståndet fungerar som en signal. Apparaten som tidigare använts för 1S-2S-mätningen fungerar som en källa för atomer i 2S-tillståndet. Jämfört med tidigare experiment, som använde rumstemperaturatomer, atomerna som sonderas här har en väsentligt lägre temperatur på 5,8 Kelvin och, följaktligen, en mycket lägre hastighet. Detta, tillsammans med särskilt utvecklade tekniker, undertrycker starkt Doppler -skiftet, som utgör den största källan till osäkerhet för denna mätning.
"En annan källa till osäkerhet i detta experiment är den så kallade kvantinterferensen, "förklarar Lothar Maisenbacher." Om vi kunde undersöka en enda, isolerad övergång, formen på den resulterande spektrallinjen skulle vara symmetrisk. Dock, i vårt fall finns det två andra övre tillstånd som kan exciteras av lasern, kallas 4P1/2 och 4P3/2. Detta resulterar i en något asymmetrisk form av spektrallinjerna, vilket gör bestämningen av linjecentret mer utmanande. Även om detta är en mycket liten effekt, det spelar en stor roll för oss eftersom vi bestämmer linjecentret med en så hög precision på nästan en del av 10, 000 av linjebredden. "
För att beskriva påverkan av kvantstörningar, forskarna utförde sofistikerade numeriska simuleringar, som överensstämmer mycket med de experimentella resultaten. "I vårat fall, dock, en speciellt härledd, enkel passform är tillräckligt för att ta bort effekterna av kvantstörningar, "understryker Vitaly Andreev, också en doktorand på projektet. "Vi använder denna passformsfunktion för vår datautvärdering. På så sätt kan simuleringen behövs bara för små korrigeringar i storleksordningen 1 kHz. "
Med detta, MPQ-teamet lyckades bestämma frekvensen för 2S-4P-övergången med en osäkerhet på 2,3 kHz. Detta motsvarar en fraktionerad osäkerhet på 4 delar av 10 12 , vilket gör detta till den näst bästa spektroskopimätningen av väte efter den tidigare nämnda 1S-2S-övergångsmätningen. Genom att kombinera dessa resultat, Rydbergkonstanten och protonstorleken bestäms till att vara R ∞ =10973731.568076 (96) m -1 och r sid =0,8335 (95) fm, respektive.
"Vår mätning är nästan lika exakt som alla tidigare mätningar på vanligt väte tillsammans, "sammanfattar professor Thomas Udem, projektledaren. "Vi håller bra med värdena från muoniskt väte, men håller inte med 3,3 standardavvikelser med vätevärldens data, för både Rydberg -konstanten och protonradien. För att hitta orsakerna till dessa avvikelser, ytterligare mätningar med kanske ännu högre precision behövs. Trots allt, man bör komma ihåg att många nya upptäckter först uppträdde som avvikelser. "
