Comment les noyaux atomiques vibrent
Dr.rer.nat. Arne Claussen Stabsstelle Presse und Kommunikation
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Physique : Publication dans Nature Physics
En utilisant la spectroscopie laser de très haute précision sur une simple molécule, un groupe de physiciens dirigé par le professeur Stephan Schiller de l'université Heinrich-Heine de Düsseldorf (HHU) a mesuré la vibration ondulatoire des noyaux atomiques avec un niveau de précision sans précédent. Dans la revue scientifique Nature Physics, les physiciens indiquent qu'ils peuvent ainsi confirmer le mouvement ondulatoire de la matière nucléaire avec une précision inégalée et qu'ils n'ont trouvé aucune preuve d'un quelconque écart par rapport à la force établie entre les noyaux atomiques.
Schéma d'un ICM (HD+) : Il se compose d'un noyau d'hydrogène (p) et d'un noyau de deuton (d) qui peuvent tourner l'un autour de l'autre et vibrer l'un contre l'autre. Il y a également un électron (e). Les mouvements de p et d se traduisent par l'apparition de raies spectrales.
HHU/Soroosh Alighanbari
Les atomes simples font l'objet de recherches expérimentales et théoriques de précision depuis près de 100 ans, avec des travaux pionniers sur la description et la mesure de l'atome d'hydrogène, l'atome le plus simple qui ne possède qu'un seul électron. Actuellement, les énergies de l'atome d'hydrogène - et donc son spectre électromagnétique - sont les énergies les plus précisément calculées d'un système quantique lié. Étant donné que des mesures extrêmement précises du spectre peuvent également être effectuées, la comparaison des prédictions théoriques et des mesures permet de tester la théorie sur laquelle la prédiction est basée.
Ces tests sont très importants. Les chercheurs du monde entier recherchent - en vain jusqu'à présent - des preuves de nouveaux effets physiques qui pourraient résulter de l'existence de la matière noire. Ces effets entraîneraient une divergence entre les mesures et les prédictions.
Contrairement à l'atome d'hydrogène, la molécule la plus simple n'a pas fait l'objet de mesures de précision pendant longtemps. Cependant, le groupe de recherche dirigé par le professeur Stephan Schiller de la chaire de physique expérimentale de l'université de Hambourg s'est consacré à ce sujet. À Düsseldorf, le groupe a effectué un travail de pionnier et mis au point des techniques expérimentales qui comptent parmi les plus précises au monde.
La molécule la plus simple est l'ion d'hydrogène moléculaire (MHI) : une molécule d'hydrogène à laquelle il manque un électron et qui comprend trois particules. Une variante, H2+, comprend deux protons et un électron, tandis que HD+ comprend un proton, un deutéron - un isotope plus lourd de l'hydrogène - et un électron. Les protons et les deutérons sont des "baryons" chargés, c'est-à-dire des particules soumises à la force forte.
Au sein des molécules, les composants peuvent se comporter de différentes manières : Les électrons se déplacent autour des noyaux atomiques, tandis que les noyaux atomiques vibrent les uns contre les autres ou tournent les uns autour des autres, les particules agissant comme des ondes. Ces mouvements ondulatoires sont décrits en détail par la théorie quantique.
Les différents modes de mouvement déterminent les spectres des molécules, qui se reflètent dans différentes lignes spectrales. Les spectres apparaissent de la même manière que les spectres des atomes, mais sont nettement plus complexes.
L'art de la recherche actuelle en physique consiste à mesurer très précisément les longueurs d'onde des raies spectrales et, à l'aide de la théorie quantique, à calculer ces longueurs d'onde avec une extrême précision. Une concordance entre les deux résultats est interprétée comme une preuve de l'exactitude des prédictions, tandis qu'une non-concordance peut être un indice d'une "nouvelle physique".
Au fil des ans, l'équipe de physiciens du HHU a affiné la spectroscopie laser de l'ICM, en développant des techniques qui ont permis d'améliorer la résolution expérimentale des spectres de plusieurs ordres de grandeur. Leur objectif : plus les spectres sont mesurés avec précision, mieux les prédictions théoriques peuvent être testées. Cela permet d'identifier tout écart potentiel par rapport à la théorie et, par conséquent, d'établir les points de départ d'une éventuelle modification de la théorie.
L'équipe du professeur Schiller a amélioré la précision expérimentale à un niveau supérieur à celui de la théorie. Pour ce faire, les physiciens de Düsseldorf confinent un nombre modéré d'environ 100 MHI dans un piège à ions dans un conteneur à ultravide, en utilisant des techniques de refroidissement par laser pour refroidir les ions jusqu'à une température de 1 milli kelvin. Cela permet de mesurer avec une extrême précision les spectres moléculaires des transitions rotationnelles et vibrationnelles. Après avoir étudié les raies spectrales de 230 μm et 5,1 μm, les auteurs présentent aujourd'hui dans Nature Physics les mesures d'une raie spectrale de 1,1 μm, une longueur d'onde nettement plus courte.
Le professeur Schiller : "La fréquence de transition déterminée expérimentalement et la prédiction théorique concordent. En combinaison avec les résultats précédents, nous avons établi le test le plus précis du mouvement quantique des baryons chargés : tout écart par rapport aux lois quantiques établies doit être inférieur à 1 partie sur 100 milliards, si tant est qu'il existe."
Le résultat peut également être interprété d'une autre manière : Hypothétiquement, une autre force fondamentale pourrait exister entre le proton et le deuton, en plus de la force de Coulomb bien connue (la force entre les particules chargées électriquement). Soroosh Alighanbari, auteur principal de l'étude, explique : "Une telle force hypothétique pourrait exister en relation avec le phénomène de la matière noire. Nous n'avons trouvé aucune preuve de l'existence d'une telle force au cours de nos mesures, mais nous poursuivrons nos recherches."
Légende de la figure 2 :
Schéma de l'expérience : dans un piège à ions (gris), une onde laser (rouge) est envoyée sur des ions moléculaires HD+ (paires de points jaunes/rouges), provoquant des sauts quantiques. Ceux-ci entraînent à leur tour un changement de l'état vibratoire des ions moléculaires. Ce processus correspond à l'apparition d'une raie spectrale. La longueur d'onde du laser est mesurée avec précision.
Publication originale :
Alighanbari, S., Kortunov, I.V., Giri, G.S., Schiller, S. ; Test of charged baryon interaction with high-resolution vibrational spectroscopy of molecular hydrogen ions. Nat. Phys. (2023).
DOI: 10.1038/s41567-023-02088-2
Les raisons de ce communiqué de presse :
Journalistes, scientifiques
Physique / Astronomie
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Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
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Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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