I ricercatori dell’Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology (APM) dell’Accademia cinese delle scienze hanno ottenuto una svolta nella spettroscopia molecolare ad alta risoluzione. Raffreddando gli ioni molecolari dell’idrogeno (HD⁺) a soli 18 millikelvin (mK), hanno ottenuto gli spettri vibrazionali-rotazionali più precisi mai registrati per questa molecola fondamentale. I risultati, pubblicati su Physical Review A, convalidano la teoria dell’elettrodinamica quantistica (QED) con una precisione senza precedenti.
L’importanza dell’HD⁺
HD⁺, composto da un protone, un deutone e un elettrone, funge da banco di prova cruciale per la fisica fondamentale. La sua struttura semplice consente calcoli teorici altamente accurati, rendendolo ideale per verificare la QED e determinare costanti fondamentali come il rapporto di massa protone-elettrone. Qualsiasi discrepanza tra i risultati sperimentali e la teoria potrebbe segnalare una nuova fisica oltre il Modello Standard.
Raffreddamento al limite
La chiave di questa precisione era il raffreddamento estremo. Per ridurre al minimo gli errori di misurazione causati dal movimento atomico (ampliamento Doppler), i ricercatori hanno utilizzato ioni di berillio raffreddati al laser per raffreddare gli ioni HD⁺ quasi allo zero assoluto. Questo processo riduce significativamente il rumore termico, consentendo letture spettrali più accurate.
Preparazione dello stato fondamentale
Una sfida importante è stata la bassa popolazione di molecole HD⁺ nel loro stato energetico più basso (v = 0, N = 0). Per superare questo problema, il team ha utilizzato una tecnica chiamata fotoionizzazione con soglia potenziata dalla risonanza (RETPI). RETPI prepara con precisione gli ioni HD⁺ allo stato fondamentale con un grado di popolazione iniziale del 93%, aumentando notevolmente la potenza del segnale per le misurazioni successive. Rispetto ai metodi tradizionali, questo approccio offre un miglioramento sostanziale nell’efficienza della preparazione dello stato fondamentale.
Rilevamento degli “ioni scuri”
Gli ioni HD⁺, quando intrappolati insieme agli ioni berillio fluorescenti, appaiono come “ioni scuri” non fluorescenti. Il monitoraggio della variazione del loro numero durante la dissociazione risonante è fondamentale per la misurazione spettrale. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica di raccolta della fluorescenza risolta spazialmente utilizzando una telecamera CCD intensificata con moltiplicazione di elettroni (EMICCD) ad alta sensibilità. Questa configurazione consente l’imaging in tempo reale del cristallo ionico e la misurazione non distruttiva dei numeri ionici HD⁺.
Precisione senza precedenti
Utilizzando questi metodi innovativi, il team ha misurato lo spettro di transizione vibrazionale-rotazionale degli ioni HD⁺ (v,N):(0,0)→(6,1) con un valore di frequenza di 303.396.506,7(20) MHz. L’accuratezza relativa di questa misurazione raggiunge le parti per miliardo (ppb), corrispondendo alle previsioni teoriche QED più precise. Questa convalida rafforza ulteriormente il Modello Standard della fisica delle particelle.
“Queste misurazioni rappresentano un significativo passo avanti nella spettroscopia ad alta precisione e forniscono un test rigoroso delle teorie fisiche fondamentali”, ha affermato il Dott. [Nome del ricercatore].
La capacità di misurare gli spettri molecolari con tale precisione apre nuove strade per esplorare la fisica fondamentale e affinare la nostra comprensione dell’universo
