การวัดที่แม่นยำที่สุดจนถึงวันที่ของอัตราส่วนมวลโปรตอนกับอิเล็กตรอนแสดงให้เห็นว่าโปรตอนอาจเบากว่าที่เคยคิดไว้ ผลลัพธ์จากนักวิจัยในเนเธอร์แลนด์และฝรั่งเศส ให้การตรวจสอบข้ามอย่างอิสระที่สำคัญกับการวัดอัตราส่วนครั้งก่อน ซึ่งให้ค่าที่ไม่สอดคล้องกัน อัตราส่วนมวลโปรตอนต่ออิเล็กตรอนเป็นปริมาณที่สำคัญในวิชาฟิสิกส์และเป็นเกณฑ์มาตรฐานสำหรับทฤษฎีโมเลกุล
สามารถกำหนดได้โดยการวัดการหมุนและการสั่น
ของไอออนไฮโดรเจนระดับโมเลกุลธรรมดา (H 2 + ) และเปรียบเทียบกับการวัดความสั่นสะเทือน ro ที่คล้ายกันในลูกพี่ลูกน้องดิวเทอเรต (HD + ) เอนทิตีทั้งสองเป็นระบบผูกมัดที่ง่ายที่สุดที่สามารถเรียกได้ว่าเป็น “โมเลกุล” และด้วยเหตุนี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจสอบแบบจำลองทางฟิสิกส์พื้นฐาน อันที่จริง เมื่อนักวิจัยทำการวัดการเปลี่ยนแปลงของ ro-vibrational ใน HD + 40 ปีที่แล้วเป็นครั้งแรก พวกเขาแนะนำว่าผลลัพธ์นี้สามารถนำมาใช้เพื่อทดสอบทฤษฎีของควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ (QED) ในโมเลกุลได้
การกำหนดอัตราส่วนมวลโปรตอนอิเล็กตรอนที่แม่นยำที่สุดอย่างไรก็ตาม การวัดมวลอะตอมสัมพัทธ์ของนิวเคลียสของอะตอมเบาซึ่งรวมถึงดิวเทอรอนและฮีไลออน (นิวเคลียสฮีเลียม-3) และโปรตอนเมื่อเร็วๆ นี้ ได้เปิดเผยค่าที่แตกต่างจากผลลัพธ์ก่อนหน้านี้โดยค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานหลายประการ ตัวอย่างเช่น การวัดมวลโปรตอนที่ทำในปี 2017 โดยใช้วิธีการแบบเดิม นั่นคือ Penning-trap mass spectrometry กำหนดมวลด้วยความแม่นยำ 32 ส่วนต่อล้านล้าน (ppt) แม้ว่าความแม่นยำของการวัดนี้จะสูงกว่าค่าที่ยอมรับก่อนหน้านี้ถึงสามเท่า (เรียกว่า CODATA-2014) แต่ค่าจริงที่วัดได้นั้นเล็กกว่าเกือบ 300 ppt
Jeroen Koelemeij หัวหน้าทีมวิจัย
จากมหาวิทยาลัย VUกล่าวว่า “ค่านี้ถูกนำมาใช้ร่วมกับค่าก่อนหน้านี้ในการคำนวณค่า CODATA ปี 2018 ของมวลโปรตอน แต่ส่วนต่างความไม่แน่นอนทั้งหมดต้องขยายออกไปที่ 1.7 เพื่อให้ครอบคลุมความแตกต่างอัมสเตอร์ดัม . “ปัจจุบันนี้จำกัดความแม่นยำของอัตราส่วนมวลโปรตอน-อิเล็กตรอน ‘อย่างเป็นทางการ’ ไว้ที่ 60 ppt และส่งผลต่อการคำนวณทางทฤษฎีของ HD +ในระดับใกล้เคียงกัน”
ในงานใหม่ของพวกเขา Koelemeij และเพื่อนร่วมงานใช้เทคนิคที่แตกต่างกันคือเลเซอร์สเปกโตรสโคปีแบบสองโฟตอนแบบไม่มีดอปเลอร์ของ HD +ไอออนที่ติดอยู่ เพื่อวัดอัตราส่วนมวลโปรตอนและอิเล็กตรอนที่ 1,836.152 673 406 (38) โดยที่วงเล็บมีความไม่แน่นอนทางสถิติ . ที่ความแม่นยำ 21 ppt การวัดนี้เป็นการกำหนดอัตราส่วนมวลโปรตอนต่ออิเล็กตรอนที่แม่นยำที่สุดจนถึงปัจจุบัน ซึ่งเป็นบันทึกที่แชร์กับค่าล่าสุดที่ได้รับจากการหมุน HD +ในการทดลองพร้อมกันในเมืองดึสเซลดอร์ฟ ประเทศเยอรมนี
กำจัด Doppler effectในการวัดเช่นนี้ Koelemeij อธิบายว่าปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler) ซึ่งเป็นการดีจูนที่ชัดเจนของความถี่เลเซอร์จากการสั่นพ้องของไอออน HD +ขึ้นอยู่กับความเร็วของไอออน เป็นสิ่งที่สร้างความรำคาญ แม้ที่อุณหภูมิต่ำมาก (10 mK เหนือศูนย์สัมบูรณ์) ซึ่งมีผลเหนือกว่าในกับดักทดลองของพวกมัน โมเลกุลในกับดักยังคงเคลื่อนที่ไปมาได้ เพื่อขจัดผลกระทบของดอปเปลอร์อย่างสมบูรณ์ ไอออนจะต้องถูกทำให้หยุดนิ่งโดยสมบูรณ์ ซึ่งเป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ในการทดลอง
“โชคดีที่กลศาสตร์ควอนตัมให้อภัย” Koelemeij กล่าว
“ถ้าเราต้องการให้เลเซอร์ ‘เห็น’ อนุภาคที่อยู่นิ่ง เราแค่ต้องแน่ใจว่ามันจะไม่เคลื่อนที่ไปรอบๆ เกินความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์” ซึ่งเป็นสภาวะที่เรียกว่าขีดจำกัดของ Lamb-Dicke
Koelemeij และเพื่อนร่วมงานได้พบกับสภาพนี้ในทางอ้อมด้วยการฉายแสงเลเซอร์สองตัวบนโมเลกุลจากทิศทางตรงกันข้าม เมื่อความยาวคลื่นของลำแสงเลเซอร์ที่แพร่กระจายตรงข้ามเหล่านี้ถูกปรับให้เป็นค่าที่เหมาะสม โมเลกุลจะดูดซับโฟตอนจากลำแสงแต่ละลำ และเพิ่มพลังงานจากโฟตอนทั้งสองไปยังพลังงานการสั่นสะเทือนของตัวมันเอง การเปลี่ยนแปลง “สองโฟตอน” ที่เกิดขึ้นระหว่างระดับพลังงานของโมเลกุลนั้นมีความยาวคลื่นที่ชัดเจนเท่ากับความแตกต่างระหว่างความยาวคลื่นเลเซอร์ทั้งสอง “เนื่องจากเลเซอร์ทั้งสองมีความยาวคลื่นเกือบเท่ากัน ความยาวคลื่นที่ปรากฏจึงมีขนาดใหญ่มาก ซึ่งมากกว่าปริมาตรที่ไอออน HD +ถูกจำกัด” Koelemeij อธิบาย “ตามกลศาสตร์ควอนตัม ไอออนดูเหมือนจะหยุดนิ่ง ไม่มีเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์”
เมื่อเอาเอฟเฟกต์ Doppler ออก ความบริสุทธิ์ที่แท้จริงของการสั่นสะเทือนจะมองเห็นได้ Koelemeij กล่าวกับPhysics World อันที่จริง การสั่นสะเทือนของโมเลกุลภายใต้สถานการณ์เหล่านี้เกือบจะบริสุทธิ์เท่ากับการสั่นในนาฬิกาอะตอมที่ดีที่สุด ซึ่งหมายความว่าสามารถวัดได้อย่างแม่นยำสูง
ข้อดีอีกประการของเทคนิคนี้คือ การใช้โฟตอนสองโฟตอน นักวิจัยสามารถเลือกการสั่นสะเทือนของโมเลกุลในลักษณะที่ค่อนข้างไม่ไวต่อสนามแม่เหล็ก ซึ่งช่วยปรับปรุงความแม่นยำของการวัด
ทฤษฎี QED ใช้ได้กับโมเลกุล
งานใหม่ซึ่งมีรายละเอียดในวิทยาศาสตร์ ยืนยัน ว่า QED ซึ่งประสบความสำเร็จอย่างมากในการอธิบายอนุภาคและอะตอมเดี่ยว ยังใช้ได้กับเรื่องที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น โมเลกุลอย่างง่าย ซึ่ง Koelemeij กล่าวว่าก่อนหน้านี้ไม่ชัดเจน “ในขณะที่มีการเปรียบเทียบ (และข้อตกลง) ระหว่างทฤษฎีโมเลกุล QED (โดยเฉพาะ HD + ion) และการทดลอง การทดลองไม่เคยแม่นยำไปกว่าทฤษฎี” เขาอธิบาย “นี่หมายความว่ารายละเอียดที่ดีที่สุดของการคำนวณทางทฤษฎีไม่สามารถทดสอบได้”
ความสัมพันธ์ระหว่างโปรตอนและนิวตรอนอาจอธิบายความลึกลับของนิวเคลียร์อายุ 35 ปีเขากล่าวว่าผลลัพธ์ใหม่ทำให้สถานการณ์พลิกผัน นับเป็นครั้งแรกที่การทดลองวัดการสั่นสะเทือนของโมเลกุลเหล่านี้แม่นยำกว่าค่าที่สร้างจากทฤษฎีอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งหมายความว่าขณะนี้สามารถทดสอบการคาดคะเนเชิงทฤษฎีได้อย่างเต็มที่ ยิ่งไปกว่านั้น การคาดคะเนจากทฤษฎีสามารถใช้เป็นเครื่องมือในการแปลการสั่นสะเทือนที่วัดได้เป็นค่าใหม่ของอัตราส่วนมวลโปรตอนและอิเล็กตรอน ตามที่คาดการณ์ไว้เมื่อกว่าสี่ทศวรรษที่แล้ว
Credit : hospitalpoetry.com hotairpress.org hotelacciudaddepamplona.com hpfruit.net hzsychw.com
