Onderzoekers van de Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology (APM) van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben een doorbraak bereikt in moleculaire spectroscopie met hoge resolutie. Door moleculaire waterstofionen (HD⁺) af te koelen tot slechts 18 millikelvin (mK), hebben ze de meest nauwkeurige vibratie-rotatiespectra verkregen die ooit voor dit fundamentele molecuul zijn geregistreerd. De bevindingen, gepubliceerd in Physical Review A, valideren de theorie van de kwantumelektrodynamica (QED) met ongekende nauwkeurigheid.
Het belang van HD⁺
HD⁺, bestaande uit één proton, één deuteron en één elektron, dient als een cruciale proeftuin voor fundamentele natuurkunde. De eenvoudige structuur maakt zeer nauwkeurige theoretische berekeningen mogelijk, waardoor het ideaal is voor het verifiëren van QED en het bepalen van fundamentele constanten zoals de proton-elektronmassaverhouding. Eventuele discrepanties tussen experimentele resultaten en theorie zouden kunnen wijzen op nieuwe natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel.
Koeling tot het uiterste
De sleutel tot deze precisie was extreme koeling. Om meetfouten veroorzaakt door atomaire beweging (Doppler-verbreding) tot een minimum te beperken, gebruikten de onderzoekers lasergekoelde berylliumionen om de HD⁺-ionen af te koelen tot bijna het absolute nulpunt. Dit proces vermindert de thermische ruis aanzienlijk, waardoor nauwkeurigere spectrale metingen mogelijk zijn.
De grondtoestand voorbereiden
Een grote uitdaging was de lage populatie HD⁺-moleculen in hun laagste energietoestand (v = 0, N = 0). Om dit te ondervangen, gebruikte het team een techniek genaamd resonance-enhanced Threshold Photoionization (RETPI). RETPI bereidt HD⁺-ionen nauwkeurig voor in de grondtoestand met een initiële populatiegraad van 93%, waardoor de signaalsterkte voor daaropvolgende metingen dramatisch toeneemt. Vergeleken met traditionele methoden biedt deze aanpak een aanzienlijke verbetering in de efficiëntie van de grondtoestandvoorbereiding.
“Donkere ionen” detecteren
Wanneer HD⁺-ionen worden opgesloten naast fluorescerende berylliumionen, verschijnen ze als niet-fluorescerende ‘donkere ionen’. Het monitoren van de verandering in hun aantal tijdens resonante dissociatie is cruciaal voor spectrale metingen. Om dit aan te pakken, ontwikkelden de onderzoekers een ruimtelijk opgeloste fluorescentieverzamelingstechniek met behulp van een zeer gevoelige, elektronenvermenigvuldigende geïntensiveerde CCD (EMICCD) camera. Deze opstelling maakt real-time beeldvorming van het ionenkristal en niet-destructieve meting van HD⁺-ionaantallen mogelijk.
Ongekende nauwkeurigheid
Met behulp van deze innovatieve methoden heeft het team het vibratie-rotatie-overgangsspectrum van HD⁺-ionen (v,N):(0,0) →(6,1) gemeten met een frequentiewaarde van 303.396.506,7(20) MHz. De relatieve nauwkeurigheid van deze meting bereikt delen per miljard (ppb), wat overeenkomt met de meest nauwkeurige theoretische QED-voorspellingen. Deze validatie versterkt het standaardmodel van de deeltjesfysica verder.
“Deze metingen vertegenwoordigen een belangrijke stap voorwaarts in de uiterst nauwkeurige spectroscopie en bieden een strenge test van fundamentele natuurkundige theorieën”, aldus Dr. [naam van de onderzoeker].
Het vermogen om moleculaire spectra met zulke precisie te meten opent nieuwe wegen voor het verkennen van de fundamentele fysica en het verfijnen van ons begrip van het universum
