Como os núcleos atômicos vibram – Strong The One

Átomos simples têm sido objetos de investigações experimentais e teóricas de precisão por quase 100 anos, com trabalhos pioneiros realizados na descrição e medição do átomo de hidrogênio, o átomo mais simples com apenas um elétron. Atualmente, as energias do átomo de hidrogênio – e, portanto, seu espectro eletromagnético – são as energias calculadas com mais precisão de um sistema quântico vinculado. Como medições extremamente precisas do espectro também podem ser feitas, a comparação de previsões teóricas e medições permite testar a teoria na qual a previsão é baseada.

Esses testes são muito importantes. Pesquisadores de todo o mundo estão buscando – embora sem sucesso até o momento – evidências de novos efeitos físicos que podem ocorrer como resultado da existência da matéria escura. Esses efeitos levariam a uma discrepância entre medição e previsão.

Ao contrário do átomo de hidrogênio, a molécula mais simples não foi objeto de medições de precisão por muito tempo. No entanto, o grupo de pesquisa liderado pelo professor Stephan Schiller Ph.D. da Cátedra de Física Experimental do HHU tem se dedicado a esse tema. Em Düsseldorf, o grupo realizou um trabalho pioneiro e desenvolveu técnicas experimentais que estão entre as mais precisas do mundo.

A molécula mais simples é o íon de hidrogênio molecular (MHI): uma molécula de hidrogênio, à qual falta um elétron e compreende três partículas. Uma variante, H₂⁺compreende dois prótons e um elétron, enquanto HD⁺ compreende um próton, um deutério – um isótopo de hidrogênio mais pesado – e um elétron. Prótons e deutérios são “bárions” carregados, ou seja, partículas que estão sujeitas à chamada força forte.

Dentro das moléculas, os componentes podem se comportar de várias maneiras: os elétrons se movem em torno dos núcleos atômicos, enquanto os núcleos atômicos vibram um contra o outro ou giram em torno do outro, com as partículas agindo como ondas. Esses movimentos de onda são descritos em detalhes pela teoria quântica.

Os diferentes modos de movimento determinam os espectros das moléculas, que se refletem em diferentes linhas espectrais. Os espectros surgem de maneira semelhante aos espectros atômicos, mas são significativamente mais complexos.

A arte da pesquisa física atual agora envolve medir os comprimentos de onda das linhas espectrais com extrema precisão e – com a ajuda da teoria quântica – também calcular esses comprimentos de onda com extrema precisão. Uma correspondência entre os dois resultados é interpretada como prova da precisão das previsões, enquanto uma incompatibilidade pode ser uma dica para “nova física”.

Ao longo dos anos, a equipe de físicos do HHU refinou a espectroscopia a laser do MHI, desenvolvendo técnicas que melhoraram a resolução experimental dos espectros em múltiplas ordens de grandeza. Seu objetivo: quanto mais precisamente o espectro puder ser medido, melhor as previsões teóricas podem ser testadas. Isso permite a identificação de quaisquer desvios potenciais da teoria e, portanto, também pontos de partida para como a teoria pode precisar ser modificada.

A equipe do professor Schiller melhorou a precisão experimental para um nível melhor do que a teoria. Para conseguir isso, os físicos em Düsseldorf confinam um número moderado de cerca de 100 MHI em uma armadilha de íons em um recipiente de ultra-alto vácuo, usando técnicas de resfriamento a laser para resfriar os íons a uma temperatura de 1 mili Kelvin. Isso permite a medição extremamente precisa dos espectros moleculares das transições rotacionais e vibracionais. Após investigações anteriores de linhas espectrais com comprimentos de onda de 230 ?me 5,1 ?m, os autores agora apresentam medições para uma linha espectral com o comprimento de onda significativamente mais curto de 1,1 ?m na Nature Physics.

Professor Schiller: “A frequência de transição determinada experimentalmente e a previsão teórica concordam. Em combinação com resultados anteriores, estabelecemos o teste mais preciso do movimento quântico de bárions carregados: Qualquer desvio das leis quânticas estabelecidas deve ser menor que 1 parte em 100 bilhões, se é que existe.”

O resultado também pode ser interpretado de forma alternativa: hipoteticamente, uma outra força fundamental poderia existir entre o próton e o dêuteron, além da conhecida força de Coulomb (a força entre partículas eletricamente carregadas). O autor principal, Dr. Soroosh Alighanbari: “Essa força hipotética pode existir em conexão com o fenômeno da matéria escura. Não encontramos nenhuma evidência de tal força durante nossas medições, mas continuaremos nossa busca.”