Pela primeira vez, uma equipe de pesquisadores sob a liderança da TU Darmstadt conseguiu medir a transição entre os níveis de energia dos íons de bismuto semelhantes ao lítio com tal precisão que se tornou possível reavaliar as teorias subjacentes. Isso levou a um resultado surpreendente - a compreensão da interação entre um elétron e um núcleo atômico que tivemos até agora pode estar errada.

Na superfície dos núcleos dos átomos de bismuto, Existem campos magnéticos que, de outra forma, só estão presentes na superfície de estrelas de nêutrons massivas. O comportamento dos elétrons nesses campos foi investigado por um grupo de pesquisadores sob a liderança da Technische Universität Darmstadt. Apenas recentemente eles alcançaram um avanço ao observar pela primeira vez uma transição especial em íons semelhantes ao lítio desse elemento.

Eles agora conseguiram medir essa transição no GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung em Darmstadt com tal precisão que foi possível pela primeira vez reavaliar a teoria subjacente de forma convincente. Na última edição da revista especializada Nature Communications , os cientistas dão conta de seu resultado surpreendente:a discrepância entre a teoria e o experimento é impressionante. Isso sugere um erro em nossa compreensão de como um elétron interage com a complexa estrutura interna de um núcleo.

Átomos simples consistindo em um único núcleo e um ou alguns elétrons são sistemas ideais para verificar nossa compreensão das forças físicas subjacentes em jogo. Temos uma compreensão melhor da teoria da camada de elétrons do átomo com base na eletrodinâmica quântica (QED) do que da estrutura real do núcleo atômico. O QED permite que as propriedades dos elétrons e os estados nos quais o átomo pode existir sejam calculados com grande precisão. Esses cálculos são verificados por meio de medições de precisão. A data, O QED passou em todos esses testes com louvor.

Ao usar núcleos pesados, os cientistas estão principalmente interessados ​​na influência dos campos elétricos e magnéticos gigantescos nos elétrons presos na camada. Apenas muito poucas verificações experimentais desta teoria foram realizadas sob essas condições extremas, e eles não exibem - de longe - a mesma precisão dos experimentos realizados com núcleos leves. Os campos fortes tornam os cálculos teóricos muito mais difíceis. Além disso, a complexa estrutura interna dos núcleos não é conhecida com precisão suficiente, embora tenha uma forte influência na camada atômica.

Para contornar essa dificuldade, teóricos calculam certas diferenças para sistemas com diferentes números de elétrons, mas com o mesmo núcleo atômico. Essas chamadas "diferenças específicas" são de tal natureza que as contribuições da estrutura do núcleo devem se eliminar quase que exatamente e podem ser utilizadas pelos pesquisadores como ponto de partida para verificar os cálculos do QED com mais precisão. Os resultados que já foram publicados, Contudo, parecem questionar o conceito de diferença específica.

Pesquisa no Storage Ring ESR

Em seu experimento, a equipe primeiro gerou íons de bismuto semelhantes ao hidrogênio e ao lítio. Esses íons foram injetados no anel de armazenamento experimental (ESR) nas instalações do acelerador GSI, que tem uma circunferência de 108 m e está equipado com duas seções retas onde os experimentos podem ser realizados. Em uma dessas seções, um feixe de elétrons de energia definida é sobreposto ao feixe de íons. Depois de alguns segundos, a velocidade dos íons se ajusta à dos elétrons. Nesta secção, um feixe de laser pulsado é, além do que, além do mais, sobreposto com o feixe de íons. O comprimento de onda do laser é então modificado em pequenos incrementos. Quando o laser atinge exatamente o comprimento de onda da transição do íon a ser investigado, os íons absorvem partículas de luz (fótons) - e, portanto, energia - do feixe de laser. Os íons que estão excitados desta forma liberam esta energia depois de um curto período, emitindo assim um número muito pequeno de fótons.

Este pequeno número de fótons foi detectado de forma eficiente por meio de um espelho especial e um sistema de detecção de fóton único desenvolvido na Universidade de Münster. Devido à alta velocidade, o comprimento de onda do laser é comprimido ou esticado por um fator de aproximadamente 2,4, para um laser de contrapropagação ou copropagação, respectivamente. Este fator depende da tensão de aceleração dos elétrons. Para medir essa alta tensão de aproximadamente 214, 000 volts com uma precisão da ordem de 1 V, um divisor de alta tensão desenvolvido na PTB em Braunschweig foi usado. Cientistas da TU Darmstadt foram os responsáveis, entre outras coisas, para a aquisição de dados e a sincronização dependente do tempo dos pulsos de laser, que duram apenas alguns bilionésimos de segundo (nanossegundos) com a revolução dos íons dentro do anel de armazenamento. Eles também analisaram os dados.

A diferença específica nos comprimentos de onda de transição medidos em bismuto semelhante ao hidrogênio e ao lítio não concorda com a previsão teórica, mesmo quando se leva em consideração todas as fontes conhecidas de erros sistemáticos. A causa deste desvio ainda não é conhecida e deve ser investigada no âmbito de novas medições com outros isótopos de bismuto. Esses isótopos são, Contudo, radioativo e, portanto, deve ser produzido antes de ser injetado no anel de armazenamento. Essas possibilidades estão disponíveis no GSI Helmholtzzentrum. A nova instalação do acelerador, JUSTA, cuja construção em Darmstadt começará em breve, proporcionará novas possibilidades para futuras investigações sobre o assunto.