Cómo vibran los núcleos atómicos
Dr.rer.nat. Arne Claussen Stabsstelle Presse und Kommunikation
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Física: Publicación en Nature Physics
Utilizando espectroscopia láser de altísima precisión en una molécula simple, un grupo de físicos dirigido por el profesor Stephan Schiller Ph.D. de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) ha medido la vibración ondulatoria de los núcleos atómicos con un nivel de precisión sin precedentes. En la revista científica Nature Physics, los físicos informan de que, de este modo, pueden confirmar el movimiento ondulatorio del material nuclear con más precisión que nunca y que no han encontrado pruebas de ninguna desviación de la fuerza establecida entre los núcleos atómicos.
Esquema de un MHI (HD+): Está formado por un núcleo de hidrógeno (p) y otro de deuterón (d) que pueden girar y vibrar entre sí. Además, hay un electrón (e). Los movimientos de p y d se expresan en la aparición de líneas espectrales.
HHU/Soroosh Alighanbari
Los átomos simples han sido objeto de investigaciones experimentales y teóricas de precisión durante casi 100 años, con trabajos pioneros en la descripción y medición del átomo de hidrógeno, el átomo más simple con un solo electrón. Actualmente, las energías del átomo de hidrógeno -y, por tanto, su espectro electromagnético- son las energías calculadas con mayor precisión de un sistema cuántico ligado. Como también pueden hacerse mediciones extremadamente precisas del espectro, la comparación de las predicciones teóricas y las mediciones permite comprobar la teoría en la que se basa la predicción.
Estas pruebas son muy importantes. Investigadores de todo el mundo buscan -aunque sin éxito hasta la fecha- pruebas de nuevos efectos físicos que podrían producirse como resultado de la existencia de materia oscura. Estos efectos darían lugar a una discrepancia entre las mediciones y las predicciones.
En contraste con el átomo de hidrógeno, la molécula más simple no fue objeto de mediciones de precisión durante mucho tiempo. Sin embargo, el grupo de investigación dirigido por el Profesor Stephan Schiller Ph.D. de la Cátedra de Física Experimental de la HHU se ha dedicado a este tema. En Düsseldorf, el grupo ha realizado trabajos pioneros y ha desarrollado técnicas experimentales que se cuentan entre las más precisas del mundo.
La molécula más sencilla es el ion de hidrógeno molecular (MHI): una molécula de hidrógeno a la que le falta un electrón y está formada por tres partículas. Una variante, el H2+, consta de dos protones y un electrón, mientras que el HD+ consta de un protón, un deuterón -un isótopo más pesado del hidrógeno- y un electrón. Los protones y deuterones son "bariones" cargados, es decir, partículas sometidas a la llamada fuerza fuerte.
Dentro de las moléculas, los componentes pueden comportarse de diversas maneras: Los electrones se mueven alrededor de los núcleos atómicos, mientras que éstos vibran o giran entre sí, actuando las partículas como ondas. Estos movimientos ondulatorios se describen detalladamente en la teoría cuántica.
Los distintos modos de movimiento determinan los espectros de las moléculas, que se reflejan en distintas líneas espectrales. Los espectros surgen de forma similar a los de los átomos, pero son bastante más complejos.
El arte de la investigación física actual consiste en medir con extrema precisión las longitudes de onda de las líneas espectrales y, con ayuda de la teoría cuántica, calcularlas también con extrema precisión. Una coincidencia entre ambos resultados se interpreta como una prueba de la exactitud de las predicciones, mientras que un desajuste podría ser una pista para una "nueva Física".
A lo largo de los años, el equipo de físicos de la HHU ha perfeccionado la espectroscopia láser del MHI, desarrollando técnicas que han mejorado la resolución experimental de los espectros en varios órdenes de magnitud. Su objetivo: cuanto más precisamente puedan medirse los espectros, mejor podrán comprobarse las predicciones teóricas. Esto permite identificar cualquier posible desviación de la teoría y, por tanto, también los puntos de partida sobre cómo podría ser necesario modificarla.
El equipo del profesor Schiller ha mejorado la precisión experimental hasta un nivel superior al de la teoría. Para lograrlo, los físicos de Düsseldorf confinan un número moderado de unos 100 MHI en una trampa de iones en un contenedor de vacío ultraalto, utilizando técnicas de refrigeración por láser para enfriar los iones hasta una temperatura de 1 mili kelvin. Esto permite medir con extrema precisión los espectros moleculares de las transiciones rotacionales y vibracionales. Tras investigaciones anteriores de líneas espectrales con longitudes de onda de 230 μm y 5,1 μm, los autores presentan ahora en Nature Physics mediciones de una línea espectral con la longitud de onda significativamente más corta de 1,1 μm.
El profesor Schiller: "La frecuencia de transición determinada experimentalmente y la predicción teórica coinciden. En combinación con resultados anteriores, hemos establecido la prueba más precisa del movimiento cuántico de los bariones cargados: cualquier desviación de las leyes cuánticas establecidas debe ser inferior a 1 parte entre 100.000 millones, si es que existe."
El resultado también puede interpretarse de forma alternativa: Hipotéticamente, podría existir otra fuerza fundamental entre el protón y el deuterón, además de la conocida fuerza de Coulomb (la fuerza entre partículas cargadas eléctricamente). El autor principal, el Dr. Soroosh Alighanbari: "Esta fuerza hipotética podría existir en relación con el fenómeno de la materia oscura. No hemos encontrado pruebas de tal fuerza en el curso de nuestras mediciones, pero continuaremos nuestra búsqueda".
Leyenda de la fig. 2:
Esquema del experimento: en una trampa de iones (gris), se envía una onda láser (roja) sobre iones moleculares HD+ (pares de puntos amarillos/rojos), provocando saltos cuánticos. Éstos, a su vez, hacen que cambie el estado vibracional de los iones moleculares. Este proceso corresponde a la aparición de una línea espectral. La longitud de onda del láser se mide con precisión.
Publicación original:
Alighanbari, S., Kortunov, I.V., Giri, G.S., Schiller, S.; Test of charged baryon interaction with high-resolution vibrational spectroscopy of molecular hydrogen ions. Nat. Phys. (2023).
DOI: 10.1038/s41567-023-02088-2
Términos de esta nota de prensa:
Journalisten, Wissenschaftler
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Englisch
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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