Rekordowa precyzja w pomiarze fundamentalnych stałych
Zespół z Uniwersytetu Heinricha Heinego w Düsseldorfie osiągnął niepewność pomiaru na poziomie zaledwie 26 części na bilion. To tak, jakbyśmy zmierzyli odległość między Warszawą a Krakowem z dokładnością do kilku mikrometrów. Nowa wartość stosunku mas wynosi 1836,152673414, co stanowi 2,3 razy większą precyzję niż poprzedni rekord z 2018 roku.
Spektroskopia molekularna jest szczególnie dobrze przystosowana do niezwykle precyzyjnego wyznaczania stosunku mas protonu do elektronu. Ta bezwymiarowa stała ustala skalę dla efektów mas cząstek w energiach wibracyjnych i rotacyjnych cząsteczek — wyjaśnia profesor Stephan Schiller
Czytaj też: Fizyka nabiera nowego wymiaru. Te sensory widzą przestrzeń i czas jednocześnie — i robią to na żywo
Kluczem do sukcesu okazał się jon wodoru molekularnego H2+, czyli najprostszy możliwy jon molekularny. Naukowcy zastosowali kombinację trzech zaawansowanych technik: pułapkowania jonów w polach elektromagnetycznych, spektroskopii laserowej bez efektu Dopplera oraz metrologii częstotliwości laserowej. Najciekawszym elementem było chłodzenie jonów H2+ przy użyciu jonów berylu. Ta technika pozwala praktycznie unieruchomić cząstki w temperaturach bliskich zera absolutnego. Zespół osiągnął rozdzielczość linii na poziomie 2,2 x 10^13, co przekłada się na szerokość linii spektralnej około 6 Hz. Stanowi to absolutny rekord w spektroskopii molekularnej.
W poszukiwaniu nowej fizyki
Choć techniczne osiągnięcie imponuje, prawdziwy cel eksperymentu sięga głębiej. Chodzi o poszukiwanie śladów zjawisk wykraczających poza model standardowy fizyki cząstek.
Szukamy „nowej fizyki”, czyli zjawisk, których model standardowy fizyki cząstek nie potrafi wyjaśnić. Porównujemy ultraprecyzyjne przewidywania teoretyczne dla H2+ z równie precyzyjnymi pomiarami eksperymentalnymi, aby szukać najmniejszych rozbieżności – wyjaśnia Schiller
Czytaj też: Fizycy dokonali czegoś niezwykłego. Oto pierwszy widzialny kryształ czasu
Naukowcy testują fundamentalne symetrie natury, szczególnie symetrię CPT. Ewentualne naruszenie tej symetrii mogłoby pomóc wyjaśnić, dlaczego we wszechświecie dominuje materia nad antymaterią. Wszelkie odchylenia, które znajdą fizycy, mogą wskazywać na tzw. piątą siłę, która może istnieć poza czterema znanymi nam siłami fundamentalnymi. Na razie wyniki są niezwykle precyzyjne, ale… zgodne z przewidywaniami modelu standardowego. Porównanie stosunków częstotliwości dla różnych izotopów wodoru zgadza się na poziomie 8,1 x 10^-12. To jeden z najdokładniejszych testów w historii fizyki, który potwierdza moc predykcyjną teorii kwantowej. Czy to oznacza, że poszukiwania nowej fizyki są bezcelowe? Absolutnie nie. Naukowcy już planują kolejne eksperymenty z jeszcze większą dokładnością, w tym potencjalne badania z użyciem antycząsteczek w CERN-ie. Być może następny rekord precyzji przyniesie bardziej rewolucyjne odkrycia.