Ett internationellt forskningssamarbete som leds av VU-forskaren Jeroen Koelemeij utvecklade en ny metod för att mäta vibrationsfrekvenser i den molekylära vätejonen med fyra hundra gånger högre precision än tidigare. Resultaten förbättrar förståelsen av fysikens grundläggande lagar och partiklar som protonen - ämnen som nyligen har varit föremål för debatt. Resultaten av studien publicerades i Vetenskap förra veckan.

Forskningssamarbetet studerade vibrationsfrekvensen för den enklaste molekylen i naturen, den molekylära vätejonen (HD+). Jeroen Koelemeij, senior författare till rapporten i Vetenskap , säger, "Denna frekvens är beroende av två aspekter. Den första är massan av kärnpartiklarna - protonen och deuteronen - och elektronens massa. För dem, vi använder referensvärden som erhållits med redan existerande mätmetoder. Dock, dessa har varit under debatt sedan vissa mycket nya värden visade sig vara i betydande oenighet med äldre referensvärden. Den andra aspekten är interaktionen mellan de två kärnpartiklarna och elektronen. Detta kan beskrivas med hjälp av kvantelektrodynamik, en teori som framgångsrikt har förutsagt beteendet hos enstaka elektroner och väteatomen (en kärnpartikel plus en elektron), och som har varit i utmärkt överensstämmelse med experimentella observationer. Frågan är nu om kvantelektrodynamik fungerar lika bra för mer komplexa system som molekyler."

Teori och experiment bekräftar tidigare avvikelser

Den nya metoden, utvecklad av Koelemeij och medarbetare vid LaserLaB Vrije Universiteit med ekonomiskt stöd från den holländska NWO-organisationen, använder en jonfälla inuti en vakuumkammare. Cirka 100 HD+ joner lagras i denna fälla, och kyls med laser till en tusendels grad över absoluta nollpunkten (-273,15 grader Celsius). En mycket ren molekylär vibration exciteras sedan med andra specialbyggda lasrar, och dess frekvens mäts.

Den experimentellt uppmätta vibrationsfrekvensen jämförs med det teoretiska värdet som förutsägs av kvantelektrodynamik, beräknat av franska och ryska fysiker. Teori och experiment visar sig stämma överens, vilket gör det möjligt för forskarna att sluta sig till proton-till-elektronmassförhållandet, en mycket använd kvantitet inom fysik och kemi, med oöverträffad precision.

Koelemeij säger, "Förutom att vara väldigt exakt, våra resultat bekräftar de senaste avvikande mätningarna av protonmassan och protonradien. Detta är det stora värdet av vårt arbete:Det visar att protonens egenskaper, när den är inne i en molekyl, är precis lika "anomala" som nyligen hittats för enskilda protoner och protoner inuti atomer. Ursprunget till anomali verkar därför ligga i de äldre mätningarna. Förutom det, överensstämmelsen mellan teori och experiment förebådar ytterligare en triumf för kvantelektrodynamiken, som visar sig vara giltig för molekyler, för."

Möjlig femte kraft

Koelemeij tror att den nya metoden kan leda till fler insikter:"Fysiken närmar sig en vändpunkt i historien. Under större delen av det senaste århundradet, experimentella och astronomiska observationer kan alltid förklaras av antingen Einsteins relativitetsteori, eller standardmodellen för partikelfysik och fält. Men under de senaste fyra decennierna har växande bevis tyder på att 95% av vårt universum består av mörk materia och mörk energi. Ingen vet vad dessa är gjorda av."

Det har spekulerats i att mörk materia och energi är relaterade till ännu oupptäckta partiklar och "femte krafter" i naturen, vilket också kan påverka vibrationerna i HD+. Mer exakta studier kan upptäcka detta som en avvikelse mellan teori och experiment. Koelemeij säger, "Vårt nuvarande experiment har inte avslöjat en sådan diskrepans. Ändå kan vi använda våra resultat för att sätta en strängare övre gräns för kraftens styrka, och massan av oupptäckta partiklar."

Koelemeij och medarbetare överväger mer exakta experiment:"Det är som ett spel Mastermind. Du petar på molekylerna med en viss färg av laserljus, och undersök informationen som molekylerna ger tillbaka till dig. Sedan försöker du igen med en annan färg, och igen - tills du har samlat all information som behövs för att bryta naturens kod."