Profesör Stephan Schiller liderliğindeki bir ekip, son teknoloji ürünü lazer spektroskopisini kullanarak basit moleküllerdeki atom çekirdeği titreşimlerini hassas bir şekilde ölçtü ve hiçbir kuvvet sapması bulamadı, böylece kuantum teorisi anlayışımızı geliştirdi ve Karanlık Madde etkilerinin araştırılmasına yardımcı oluyor.
Basit bir molekül üzerinde ultra yüksek hassasiyetli lazer spektroskopisi kullanan Profesör Stephan Schiller Ph.D. Heinrich Heine Üniversitesi’nden Düsseldorf (HHU), atom çekirdeğinin dalga benzeri titreşimini benzeri görülmemiş bir hassasiyetle ölçtü.
Araştırmacılar Nature Physics bilimsel dergisinde yayınlanan makalelerinde, ölçümlerinin en iyi sonucu verdiğini iddia ediyorlar. nükleer malzemenin dalga benzeri hareketinin bugüne kadar kesin olarak doğrulanması. Ayrıca, atom çekirdekleri arasında yerleşik kuvvetten herhangi bir sapma olduğuna dair hiçbir kanıt bulamadılar.
Basit atomlar, yaklaşık 100 yıldır hassas deneysel ve teorik araştırmaların konusu olmuştur ve tanımlama ve ölçüm konusunda yürütülen öncü çalışmalar vardır. hidrojen atomunun, tek elektronlu en basit atomu. Şu anda, hidrojen atomu enerjileri – ve dolayısıyla elektromanyetik spektrumları – bağlı bir kuantum sisteminin en hassas şekilde hesaplanan enerjileridir. Spektrumun son derece hassas ölçümleri de yapılabileceğinden, teorik tahminlerin ve ölçümlerin karşılaştırılması, tahminin dayandığı teorinin test edilmesini sağlar.
Deneyin şeması: bir iyon tuzağı (gri), bir lazer dalgası (kırmızı) HD+ moleküler iyonlara (sarı/kırmızı nokta çiftleri) gönderilerek kuantum sıçramalarına neden olur. Bunlar da moleküler iyonların titreşim durumunun değişmesine neden olur. Bu süreç, bir spektral çizginin görünümüne karşılık gelir. Lazer dalga boyu hassas bir şekilde ölçülür. Kredi: HHU/Soroosh Alighanbari
Bu tür testler çok önemlidir. Dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, Karanlık Madde’nin varlığının bir sonucu olarak ortaya çıkabilecek yeni fiziksel etkilere dair – bugüne kadar başarısız olsa da – kanıt arıyorlar. Bu etkiler, ölçüm ve tahmin arasında bir tutarsızlığa yol açardı.
Hidrojen atomunun aksine, en basit molekül uzun süre hassas ölçümlerin konusu olmadı. Ancak, Profesör Stephan Schiller Ph.D. başkanlığındaki araştırma grubu. HHU’daki Deneysel Fizik Kürsüsünden Dr. Grup, Düsseldorf’ta öncü çalışmalar yürüttü ve dünyanın en doğruları arasında yer alan deneysel teknikler geliştirdi.
En basit molekül moleküler hidrojen iyonudur (MHI): elektronu eksik olan bir hidrojen molekülü ve üç parçacıktan oluşur. Bir varyant, H2+, iki proton ve bir elektron içerirken, HD+ bir proton, bir döteron – daha ağır bir hidrojen izotopu – ve bir elektron içerir. Protonlar ve döteronlar yüklü “baryonlar”dır, yani sözde güçlü kuvvete maruz kalan parçacıklardır.
Bir MHI’nin şeması, burada bir HD+ molekülü: Bir hidrojen çekirdeği içerir ( p) ve birbirleri etrafında dönebilen ve birbirlerine karşı titreyebilen bir döteryum çekirdeği (d). Ayrıca bir elektron (e) vardır. p ve d’nin hareketleri, spektral çizgilerin görünümünde ifade edilir. Kredi: HHU/Soroosh Alighanbari
Moleküller içinde bileşenler çeşitli şekillerde davranabilir: Elektronlar atom çekirdeği etrafında hareket ederken, atom çekirdeği parçacıklarla birlikte birbirlerine karşı titreşir veya birbirleri etrafında döner. dalgalar gibi davranan Bu dalga hareketleri, kuantum teorisi tarafından ayrıntılı olarak açıklanır.
Farklı hareket modları, farklı spektral çizgilerde yansıtılan moleküllerin spektrumlarını belirler. Tayflar, atom tayflarına benzer bir şekilde ortaya çıkar, ancak önemli ölçüde daha karmaşıktır.
Mevcut fizik araştırma sanatı, artık spektral çizgilerin dalga boylarını son derece hassas bir şekilde ölçmeyi ve – kuantum teorisinin yardımıyla – aynı zamanda hesaplamayı da içeriyor bu dalga boyları son derece hassastır. İki sonuç arasındaki bir eşleşme, tahminlerin doğruluğunun kanıtı olarak yorumlanırken uyumsuzluk “yeni Fizik” için bir ipucu olabilir.
Yıllar geçtikçe, HHU’daki fizikçilerden oluşan ekip lazeri geliştirdi MHI spektroskopisi, spektrumların deneysel çözünürlüğünü birden çok büyüklük sırasına göre iyileştiren teknikler geliştiriyor. Hedefleri: Spektrum ne kadar kesin olarak ölçülebilirse, teorik tahminler o kadar iyi test edilebilir. Bu, teoriden herhangi bir potansiyel sapmanın tanımlanmasını ve böylece teorinin nasıl değiştirilmesi gerekebileceğine ilişkin başlangıç noktalarını mümkün kılar.
Profesör Schiller’in ekibi, deneysel kesinliği teoriden daha iyi bir düzeye çıkardı. Bunu başarmak için, Düsseldorf’taki fizikçiler, iyonları 1 milikelvin sıcaklığa kadar soğutmak için lazer soğutma teknikleri kullanarak, ultra yüksek vakumlu bir kapta bir iyon tuzağına yaklaşık 100 MHI gibi makul bir sayıyı hapsediyor. Bu, dönme ve titreşim geçişlerinin moleküler spektrumlarının son derece hassas bir şekilde ölçülmesini sağlar. 230 μm ve 5,1 μm dalga boylarına sahip spektral çizgilerle ilgili daha önceki araştırmaların ardından, yazarlar şimdi Nature Physics’te önemli ölçüde daha kısa olan 1,1 μm dalga boyuna sahip bir spektral çizgi için ölçümler sunuyorlar.
Profesör Schiller: “Deneysel olarak belirlenen geçiş frekans ve teorik tahmin aynı fikirde. Önceki sonuçlarla birlikte, yüklü baryonların kuantum hareketinin en kesin testini oluşturduk: Yerleşik kuantum yasalarından herhangi bir sapma, eğer varsa, 100 milyarda 1 kısımdan daha küçük olmalıdır.”
Sonuç alternatif bir şekilde de yorumlanabilir: Varsayımsal olarak, iyi bilinen Coulomb kuvvetine (elektrik yüklü parçacıklar arasındaki kuvvet) ek olarak proton ve döteron arasında başka bir temel kuvvet olabilir. Baş yazar Dr. Soroosh Alighanbari: “Karanlık Madde fenomeni ile bağlantılı olarak böyle bir varsayımsal güç var olabilir. Ölçümlerimiz sırasında böyle bir kuvvete dair herhangi bir kanıt bulamadık, ancak araştırmamıza devam edeceğiz.”
Referans: “Moleküler hidrojen iyonlarının yüksek çözünürlüklü titreşim spektroskopisi ile yüklü baryon etkileşiminin testi” S. Alighanbari, I. V. Kortunov, G. S. Giri ve S. Schiller, 22 Haziran 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-02088-2