Koristeći ultra-visoko preciznu lasersku spektroskopiju na jednostavnom molekulu, grupa fizičara predvođena profesorom Stephanom Schillerom, dr. sa Univerziteta Hajnrih Hajne u Dizeldorfu (HHU) izmerio je talasaste vibracije atomskih jezgara sa nivoom preciznosti bez presedana.
U časopisu Nature Phisics, fizičari izveštavaju da na taj način mogu da potvrde talasasto kretanje nuklearnog materijala preciznije nego ikada ranije i da nisu pronašli dokaze o bilo kakvom odstupanju od utvrđene sile između atomskih jezgara.
Jednostavni atomi su bili predmet preciznih eksperimentalnih i teorijskih istraživanja skoro 100 godina, sa pionirskim radom na opisu i merenju atoma vodonika, najjednostavnijeg atoma sa samo jednim elektronom.
Trenutno, energije atoma vodonika—a samim tim i njihov elektromagnetni spektar—su najpreciznije izračunate energije vezanog kvantnog sistema. Kako se mogu izvršiti i izuzetno precizna merenja spektra, poređenje teorijskih predviđanja i merenja omogućava proveru teorije na kojoj se predviđanje zasniva.
Takvi testovi su veoma važni. Istraživači širom sveta traže — iako do sada neuspešno — dokaze o novim fizičkim efektima koji bi mogli da nastanu kao rezultat postojanja tamne materije. Ovi efekti bi doveli do neslaganja između merenja i predviđanja.
Za razliku od atoma vodonika, najjednostavniji molekul nije bio predmet preciznih merenja dugo vremena. Međutim, istraživačka grupa na čelu sa profesorom dr Stefanom Šilerom. sa Katedre za eksperimentalnu fiziku HHU se posvetio ovoj temi. U Diseldorfu, grupa je sprovela pionirski rad i razvila eksperimentalne tehnike koje su među najtačnijim na svetu.
Najjednostavniji molekul je molekularni vodonikov jon (MHI): molekul vodonika, kome nedostaje elektron i sastoji se od tri čestice. Jedna varijanta, H 2 + , sadrži dva protona i elektron, dok HD + sadrži proton, deuteron — teži izotop vodonika — i elektron. Protoni i deuteroni su naelektrisani „barioni“, odnosno čestice koje su podložne takozvanoj jakoj sili.
Unutar molekula, komponente se mogu ponašati na različite načine: elektroni se kreću oko atomskih jezgara, dok atomska jezgra vibriraju ili rotiraju jedno oko drugog, pri čemu se čestice ponašaju kao talasi. Ova talasna kretanja su detaljno opisana kvantnom teorijom.
Različiti načini kretanja određuju spektre molekula, koji se reflektuju u različitim spektralnim linijama. Spektri nastaju na sličan način kao i atomski spektri, ali su znatno složeniji.
Umetnost trenutnog istraživanja fizike sada uključuje izuzetno precizno merenje talasnih dužina spektralnih linija i – uz pomoć kvantne teorije – takođe izuzetno precizno izračunavanje ovih talasnih dužina. Podudaranje dva rezultata tumači se kao dokaz tačnosti predviđanja, dok neslaganje može biti nagoveštaj za „novu fiziku“.
Tokom godina, tim fizičara u HHU je poboljšao lasersku spektroskopiju MHI, razvijajući tehnike koje su poboljšale eksperimentalnu rezoluciju spektra za više redova veličine. Njihov cilj: što se spektri preciznije mogu izmeriti, bolje se mogu testirati teorijska predviđanja. Ovo omogućava identifikaciju svih potencijalnih odstupanja od teorije, a samim tim i polazne tačke za to kako bi teoriju trebalo modifikovati.
Tim profesora Šilera je poboljšao eksperimentalnu preciznost na nivo bolji od teorije. Da bi ovo postigli, fizičari u Diseldorfu su ograničili umereni broj od oko 100 MHI u zamku jona u kontejneru sa ultra-visokim vakuumom, koristeći tehnike laserskog hlađenja da ohlade jone do temperature od 1 mili Kelvina.
Ovo omogućava izuzetno precizno merenje molekularnih spektra rotacionih i vibracionih prelaza. Nakon ranijih istraživanja spektralnih linija sa talasnim dužinama od 230 μm i 5,1 μm, autori sada predstavljaju merenja za spektralnu liniju sa značajno kraćom talasnom dužinom od 1,1 μm u Prirodnoj fizici.
Profesor Šiler kaže: „Eksperimentalno određena prelazna frekvencija i teorijsko predviđanje se slažu. U kombinaciji sa prethodnim rezultatima, uspostavili smo najprecizniji test kvantnog kretanja naelektrisanih bariona: svako odstupanje od utvrđenih kvantnih zakona mora biti manje od 1 dela. u 100 milijardi, ako uopšte postoji“.
Rezultat se takođe može tumačiti na alternativni način: Hipotetički, dalja fundamentalna sila bi mogla postojati između protona i deuterona pored dobro poznate Kulonove sile (sile između električno naelektrisanih čestica). Glavni autor dr Soroosh Alighanbari kaže: „Takva hipotetička sila može postojati u vezi sa fenomenom tamne materije. Nismo pronašli nikakve dokaze za takvu silu tokom naših merenja, ali ćemo nastaviti našu potragu.“
