Esta foto mostra a câmara de vácuo usada para medir a frequência de transição 2S-4P no hidrogênio atômico. O brilho púrpura na parte de trás provém da descarga de microondas que dissocia as moléculas de hidrogênio em átomos de hidrogênio. A luz azul na frente é a fluorescência do laser ultravioleta que excita os átomos para o estado 2S. O brilho azul turquesa é uma luz difusa do sistema de laser usado para medir a frequência da transição 2S-4P. Crédito:MPQ
Foi um dos avanços do ano de 2010:a espectroscopia a laser do hidrogênio muônico resultou em um valor para o raio de carga do próton que era significativamente menor, por quatro desvios padrão, do que as determinações anteriores usando hidrogênio regular. Essa discrepância e sua origem têm atraído muita atenção da comunidade científica, com implicações para o chamado Modelo Padrão da Física.
Agora, uma equipe de cientistas da Divisão de Espectroscopia Laser do Professor Theodor W. Hänsch no Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching fez uma nova medição espectroscópica de hidrogênio regular ( Ciência , 6 de outubro de 2017). Os valores resultantes para a constante de Rydberg e o raio do próton estão em excelente acordo com os resultados muônicos ( Natureza 466, 213 (2010)), mas discordo por 3,3 desvios padrão com a média das determinações anteriores do hidrogênio regular.
O hidrogênio é o mais simples de todos os elementos químicos. De acordo com o modelo proposto por Niels Bohr em 1913, ele consiste em um único próton e um elétron orbitando ao seu redor. A teoria da eletrodinâmica quântica prevê os níveis de energia desse sistema com 12 dígitos de precisão. Por causa disso, o hidrogênio desempenha um papel fundamental em nossa compreensão da natureza. Seu estudo permite a determinação de constantes fundamentais como a constante de Rydberg e o raio de carga do próton.
O hidrogênio é, portanto, o assunto ideal para testar as leis da natureza. É por isso que uma medição do hidrogênio muônico, resultando em um valor surpreendentemente pequeno para o raio de carga do próton, causou grandes ondas em 2010. Nesse experimento, feito no Instituto Paul Scherrer em Villingen, Suíça, o elétron do átomo de hidrogênio é substituído por sua partícula irmã, o múon 200 vezes mais pesado e de vida curta. A espectroscopia a laser desse hidrogênio muônico resultou em um valor do raio do próton que era extremamente preciso, mas quatro por cento menor do que as medições anteriores do hidrogênio regular. "Como o múon é 200 vezes mais pesado que o elétron, ele orbita muito mais perto do próton e "sente" seu tamanho, "explica o Prof. Randolf Pohl (agora na Johannes Gutenberg-Universität Mainz), um membro da equipe MPQ. "Por causa disso, o raio do próton tem uma influência sete ordens de magnitude maior nas linhas espectrais do que no hidrogênio regular. Isso nos permite determinar o raio do próton com alta precisão. "
A grande discrepância entre as medições do hidrogênio regular e seu primo exótico gerou muitos debates sobre sua origem. "Contudo, algumas das medições anteriores de fato concordam com o valor muônico. A influência do raio do próton nos níveis de energia do hidrogênio regular é minúscula, e mesmo medições de alta precisão lutam para resolvê-lo. A discrepância só se torna significativa quando todas as medições são calculadas, "explica Lothar Maisenbacher, um dos alunos de pós-graduação que trabalha no projeto. "Isso é por que, para resolver este 'quebra-cabeça do raio do próton', novas medições individuais com alta precisão, e, se possível, usando diferentes abordagens experimentais são necessárias. "
A fim de determinar a constante de Rydberg e o raio de carga do próton a partir da espectroscopia do hidrogênio regular, duas frequências de transição diferentes precisam ser medidas. A ressonância mais nítida, a chamada transição 1S-2S, serve de pedra angular nesta determinação. Sua frequência foi medida, em 2011, a 15 dígitos pela equipe MPQ ( Phys. Rev. Lett . 107, 203001 (2011)). Esta alta precisão foi possível, não menos importante, pela invenção do pente de frequência, pelo qual o Professor Hänsch recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2005. Para a segunda medição de frequência necessária, a equipe MPQ escolheu a chamada transição 2S-4P, que conecta o estado 2S metaestável com o estado 4P de vida muito mais curta.
No experimento, esta transição é excitada por um laser com comprimento de onda de 486 nm e a fluorescência coletada do decaimento do estado 4P serve como um sinal. O aparelho usado anteriormente para a medição 1S-2S serve como uma fonte de átomos no estado 2S. Em comparação com experimentos anteriores, que usava átomos em temperatura ambiente, os átomos sondados aqui têm uma temperatura substancialmente mais baixa de 5,8 Kelvin e, consequentemente, uma velocidade muito menor. Esse, junto com técnicas especialmente desenvolvidas, suprime fortemente o deslocamento Doppler, que constitui a maior fonte de incerteza para esta medição.
“Outra fonte de incerteza neste experimento é a chamada interferência quântica, "explica Lothar Maisenbacher." Se pudéssemos sondar um único, transição isolada, a forma da linha espectral resultante seria simétrica. Contudo, no nosso caso, existem dois outros estados superiores que podem ser excitados pelo laser, chamado 4P1 / 2 e 4P3 / 2. Isso resulta em uma forma ligeiramente assimétrica das linhas espectrais, tornando a determinação do centro da linha mais desafiadora. Embora seja um efeito muito pequeno, ele desempenha um grande papel para nós porque determinamos o centro da linha com alta precisão de quase uma parte em 10, 000 da largura da linha. "
Para descrever a influência da interferência quântica, os cientistas realizaram simulações numéricas sofisticadas, que estão em muito bom acordo com os resultados experimentais. "No nosso caso, Contudo, um derivado especialmente, a função de ajuste simples é suficiente para remover os efeitos da interferência quântica, "enfatiza Vitaly Andreev, também aluno de pós-graduação do projeto. "Usamos esta função de ajuste para nossa avaliação de dados. Desta forma, a simulação só é necessária para pequenas correções da ordem de 1 kHz. "
Com isso, a equipe MPQ conseguiu determinar a frequência da transição 2S-4P com uma incerteza de 2,3 kHz. Isso corresponde a uma incerteza fracionária de 4 partes em 10 12 , tornando esta a segunda melhor medição de espectroscopia de hidrogênio após a medição de transição 1S-2S acima mencionada. Combinando esses resultados, a constante de Rydberg e o tamanho do próton são determinados como R ∞ =10973731,568076 (96) m -1 e r p =0,8335 (95) fm, respectivamente.
"Nossa medição é quase tão precisa quanto todas as medições anteriores do hidrogênio regular combinado, "resume o Prof. Thomas Udem, o líder do projeto. “Estamos de acordo com os valores do hidrogênio muônico, mas discordo por 3,3 desvios padrão com os dados mundiais de hidrogênio, para a constante de Rydberg e o raio do próton. Para encontrar as causas dessas discrepâncias, medições adicionais com talvez uma precisão ainda maior são necessárias. Afinal, deve-se ter em mente que muitas novas descobertas apareceram pela primeira vez como discrepâncias. "
