Fysiker vid Max Planck Institute of Quantum Optics har testat kvantmekanik till en helt ny nivå av precision med hjälp av vätespektroskopi, och därmed kom de mycket närmare att lösa det välkända protonladdningsradiepusslet.

Forskare vid Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) har lyckats testa kvantelektrodynamik med oöverträffad noggrannhet till 13 decimaler. Den nya mätningen är nästan dubbelt så exakt som alla tidigare vätgasmätningar tillsammans och flyttar vetenskapen ett steg närmare att lösa protonstorlekspusslet. Denna höga noggrannhet uppnåddes av den Nobelprisbelönta frekvenskamtekniken, som debuterade här för första gången för att excitera atomer i högupplöst spektroskopi. Resultaten publiceras idag i Vetenskap .

Fysik sägs vara en exakt vetenskap. Det betyder att förutsägelser av fysikaliska teorier –  exakta siffror – kan verifieras eller förfalskas genom experiment. Experimentet är den högsta domaren i någon teori. Kvantelektrodynamik, den relativistiska versionen av kvantmekaniken, är utan tvekan den mest framgångsrika teorin hittills. Det gör att extremt exakta beräkningar kan utföras, till exempel, beskrivningen av spektrumet av atomärt väte med 12 decimaler. Väte är det vanligaste grundämnet i universum och samtidigt det enklaste med bara en elektron. Och fortfarande, den är värd för ett mysterium som ännu inte är känt.

Pusslet med protonstorlek

Elektronen i väteatomen "känner" storleken på protonen, vilket återspeglas i minimala förändringar i energinivåer. I många decennier, otaliga mätningar på väte har gett en konsekvent protonradie. Men spektroskopiska undersökningar av det så kallade muoniska vätet, där elektronen ersattes av sin 200 gånger tyngre tvilling - myonen - avslöjade ett mysterium. Mätningarna utfördes 2010 i samarbete med Randolf Pohl, vid den tiden gruppledare vid laserspektroskopi vid professor Hänsch (MPQ) och nu professor vid Johannes Gutenberg -universitetet i Mainz. Värdet för protonradien som kan härledas från dessa experiment är fyra procent mindre än för vanligt väte. Om alla experiment anses vara korrekta, en motsägelse till teorin om kvantelektrodynamik uppstår eftersom alla mätningar i muoniskt och vanligt väte måste rapportera samma protonradie, när alla teoretiska termer är korrekta. Följaktligen, detta "protonradiepussel" motiverade nya precisionsmätningar över hela världen. Dock, medan nya mätningar från Garching och Toronto bekräftade den mindre protonradien, en mätning från Paris stödde återigen det tidigare större värdet.

Jämför mått

Vetenskapen frodas på oberoende jämförelser. Det är därför Garching -teamet som leds av Alexey Grinin, Arthur Matveev och Thomas Udem från Theodor Hänschs laserspektroskopiavdelning ville mäta samma övergång som i Paris med en helt annan och därmed kompletterande metod. Genom att använda den så kallade dopplerfria tvåfotonfrekvenskamspektroskopin, de har nu lyckats förbättra precisionen med en faktor fyra. Resultatet för protonradien var nu dubbelt så exakt som alla tidigare mätningar på väte tillsammans. Det är första gången som kvantmekaniken kontrolleras till trettonde decimalen. Värdet för protonradien som bestäms på detta sätt bekräftar den mindre protonradien och utesluter därmed teorin som orsak. För för samma övergång, de experimentella resultaten måste överensstämma, oavsett teori. Följande bild (fig. 1) visar den aktuella situationen.

Utvärderingar av giltigheten av kvantelektrodynamik är endast möjliga med flera oberoende mätningar som jämförs. Om teorin och dess tillämpning stämmer, och alla experiment utförs korrekt, värdena för protonradien måste överensstämma med varandra inom gränserna för den experimentella osäkerheten. Men så är inte fallet, som vi kan se på bilden. Avslöjandet av denna diskrepans – protonpusslet – öppnade upp möjligheten att kvantelektrodynamik, den mest exakta fysikaliska teorin, kan ha ett grundläggande fel. Det nya resultatet tyder dock på att problemet är av experimentell snarare än fundamental natur. Och kvantelektrodynamiken skulle ha lyckats än en gång.

Ny milstolpe inom frekvenskamspektroskopi

Blått laserljus (410nm) genereras som den andra övertonen av en pulsad Titanium:Sapphire-laser som använder en olinjär kristall.

Framgången för den frekvenskamspektroskopi som utförs i detta projekt innebär också en viktig milstolpe inom vetenskapen av en annan anledning. Precisionsspektroskopi på väte och andra atomer och molekyler har hittills nästan uteslutande utförts med kontinuerliga våglasrar. I kontrast, frekvenskammen genereras av en pulsad laser. Med sådana lasrar är det möjligt att penetrera till mycket kortare våglängder upp till det extrema ultravioletta området. Med kontinuerliga våglasrar, detta verkar vara en hopplös strävan. Mycket intressanta joner, såsom den väteliknande heliumjonen, har sina övergångar i detta spektralområde, men till och med mer än 100 år efter utvecklingen av den första kvantteorin, de kan inte studeras exakt, vilket betyder med laserljus. Det experiment som nu presenteras är ett viktigt steg för att ändra denna otillfredsställande situation. Dessutom, man hoppas att dessa ultravioletta frekvenskammar kommer att tillåta biologiskt och kemiskt viktiga element som väte och kol att kylas direkt med laser, gör det möjligt för vetenskapen att studera dem med ännu högre precision.