Una ricerca internazionale guidata dallo scienziato della Vrije Universiteit di Amsterdam, Jeroen Koelemeij, ha sviluppato un nuovo metodo per misurare le frequenze vibrazionali nello ione idrogeno molecolare con una precisione quattrocento volte superiore rispetto al passato.
Grazie a questo metodo è possibile affinare la nostra comprensione delle leggi fondamentali della fisica e delle particelle, come il protone, argomenti che recentemente sono stati oggetto di dibattito. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Science.
Le leggi fondamentali della fisica: le vibrazioni di HD+
La ricerca ha studiato la frequenza vibrazionale della molecola più semplice in natura, lo ione idrogeno molecolare (HD+). Jeroen Koelemeij, autore senior della pubblicazione ha affermato: “Questa frequenza dipende da due aspetti. Il primo è la massa delle particelle nucleari – il protone e il deuterone – e la massa dell’elettrone. Per quelli utilizziamo valori di riferimento ottenuti con metodi di misurazione preesistenti. Tuttavia, questi sono stati oggetto di dibattito poiché alcuni valori ottenuti molto recentemente sono stati trovati in significativo disaccordo con i valori di riferimento più vecchi”.
Koelemeij continua: “Il secondo aspetto è l’interazione tra le due particelle nucleari e l’elettrone. Questo può essere descritto usando l’elettrodinamica quantistica, una teoria che ha predetto con successo il comportamento dei singoli elettroni e dell’atomo di idrogeno, e che è in ottimo accordo con le osservazioni sperimentali. La domanda ora è se l’elettrodinamica quantistica funzioni altrettanto bene per sistemi più complessi, come le molecole”.
Le leggi fondamentali della fisica: la teoria e l’esperimento confermano le deviazioni precedenti
Il nuovo metodo, sviluppato da Koelemeij e collaboratori della LaserLaB Vrije Universiteit con l’aiuto finanziario dell’organizzazione olandese NWO, utilizza una trappola ionica all’interno di una camera a vuoto. Circa un centinaio di ioni HD+ vengono immagazzinati in questa trappola e raffreddati mediante laser fino a un millesimo di grado sopra lo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius). Una vibrazione molecolare molto pura viene successivamente eccitata utilizzando altri laser appositamente costruiti e la sua frequenza misurata.
La frequenza vibratoria misurata sperimentalmente viene confrontata con il valore teorico previsto dall’elettrodinamica quantistica, calcolato dai fisici francesi e russi. Teoria ed esperimento si sono rivelati concordi, consentendo così ai ricercatori di dedurre il rapporto tra massa protone ed elettrone, una quantità ampiamente utilizzata in fisica e chimica, con una precisione senza precedenti.
“Oltre ad essere molto precisi, i nostri risultati confermano le recenti misurazioni devianti della massa e del raggio del protone. Questo è il grande valore del nostro lavoro: mostra che le proprietà del protone, quando è all’interno di una molecola, sono altrettanto “anomale” come recentemente riscontrato per i singoli protoni e per i protoni all’interno degli atomi. L’origine dell’anomalia sembra quindi essere nelle misurazioni precedenti. Oltre a ciò, l’accordo tra teoria ed esperimento preannuncia un altro trionfo per l’elettrodinamica quantistica, che risulta essere valido anche per le molecole”, aggiunge Koelemeij
Le leggi fondamentali della fisica: una possibile quinta forza
Koelemeij ritiene che il nuovo metodo potrebbe portare a maggiori intuizioni. “La fisica si sta avvicinando a un punto di svolta nella storia. Durante la maggior parte del secolo scorso, le osservazioni sperimentali e astronomiche hanno sempre potuto essere spiegate dalla teoria della relatività di Einstein o dal modello standard della fisica e dei campi delle particelle. Ma negli ultimi quattro decenni, prove crescenti suggeriscono che il 95% del nostro universo è costituito da materia oscura ed energia oscura. Nessuno sa di cosa siano fatti.”
È stato ipotizzato che la materia oscura e l’energia siano correlate a particelle non ancora scoperte e “quinte forze” della natura, che potrebbero anche influenzare le vibrazioni di HD+. Studi più precisi potrebbero rilevare questo come una deviazione tra teoria ed esperimento.
“Il nostro attuale esperimento non ha rivelato una tale discrepanza. Tuttavia, possiamo usare i nostri risultati per stabilire un limite superiore più rigoroso alla robustezza della forza e alla massa delle particelle non scoperte”, precisa Koelemeij.
Il ricercatore e i suoi colleghi stanno valutando esperimenti più precisi. “È come un gioco di Mastermind. Colpisci le molecole con un certo colore di luce laser ed esamini le informazioni che le molecole ti restituiscono. Poi riprova con un altro colore, e ancora – finché non hai raccolto tutte le informazioni necessarie per infrangere il codice della natura.”
