MHI (HD+)的示意圖:它由一個(gè)氫(p)和一個(gè)氘核(d)組成，它們可以圍繞彼此旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)。此外，還有一個(gè)電子(e)。p和d的運(yùn)動(dòng)用光譜線的形式表示。圖片來源:HHU/Soroosh Alighanbari
由德國(guó)塞爾多夫海因里希海涅大學(xué)(HHU)的Stephan Schiller博士教授領(lǐng)導(dǎo)的一組物理學(xué)家利用對(duì)簡(jiǎn)單分子的超高精度激光光譜學(xué)，以前所未有的精度測(cè)量了原子核的波狀振動(dòng)。
在《自然物理》(Nature Physics)雜志上，物理學(xué)家們報(bào)告說，他們因此可以比以往更精確地證實(shí)核物質(zhì)的波狀運(yùn)動(dòng)，而且他們沒有發(fā)現(xiàn)任何偏離原子核之間既定作用力的證據(jù)。
近100年來，簡(jiǎn)單原子一直是精密實(shí)驗(yàn)和理論研究的對(duì)象，其中對(duì)氫原子的描述和測(cè)量是開創(chuàng)性的工作，氫原子是只有一個(gè)電子的最簡(jiǎn)單的原子。
目前，氫原子的能量——以及它們的電磁波譜——是束縛量子系統(tǒng)中計(jì)算得最精確的能量。由于可以對(duì)光譜進(jìn)行極其精確的測(cè)量，因此可以將理論預(yù)測(cè)與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證預(yù)測(cè)所依據(jù)的理論。
這些測(cè)試是非常重要的。世界各地的研究人員都在尋找新的物理效應(yīng)的證據(jù)，盡管到目前為止還沒有成功，這可能是暗物質(zhì)存在的結(jié)果。這些影響將導(dǎo)致測(cè)量和預(yù)測(cè)之間的差異。
與氫原子相比，最簡(jiǎn)單的分子在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都不是精確測(cè)量的對(duì)象。然而，由HHU實(shí)驗(yàn)物理學(xué)主席Stephan Schiller博士教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組致力于這一主題。在<s:1>塞爾多夫，該小組開展了開創(chuàng)性的工作，并開發(fā)了世界上最精確的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。
最簡(jiǎn)單的分子是氫離子分子(MHI):一個(gè)氫分子，缺少一個(gè)電子，由三個(gè)粒子組成。一種變體H2+由兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成，而HD+由一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)氘核(更重的氫同位素)和一個(gè)電子組成。質(zhì)子和氘核是帶電的“重子”，即受所謂強(qiáng)作用力影響的粒子。
在分子內(nèi)部，組成部分可以以各種方式表現(xiàn):電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，而原子核相互振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，粒子像波一樣運(yùn)動(dòng)。這些波動(dòng)是用量子理論詳細(xì)描述的。
不同的運(yùn)動(dòng)模式?jīng)Q定了分子的光譜，這些光譜被反射在不同的光譜線上。光譜的產(chǎn)生方式與原子光譜相似，但要復(fù)雜得多。
當(dāng)前物理學(xué)研究的藝術(shù)包括極其精確地測(cè)量光譜線的波長(zhǎng)，并借助量子理論極其精確地計(jì)算這些波長(zhǎng)。兩個(gè)結(jié)果之間的匹配被解釋為預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的證明，而不匹配可能是“新物理學(xué)”的暗示。
多年來，HHU的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了MHI的激光光譜，開發(fā)了將光譜的實(shí)驗(yàn)分辨率提高了多個(gè)數(shù)量級(jí)的技術(shù)。他們的目標(biāo)是:越精確地測(cè)量光譜，就越能更好地檢驗(yàn)理論預(yù)測(cè)。這樣就可以識(shí)別出理論的任何潛在偏差，從而也可以找到理論可能需要修改的起點(diǎn)。
席勒教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將實(shí)驗(yàn)精度提高到比理論更高的水平。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，德國(guó)<s:1>塞爾多夫的物理學(xué)家們?cè)谝粋€(gè)超高真空容器的離子阱中限制了大約100 MHI的離子，使用激光冷卻技術(shù)將離子冷卻到1毫開爾文的溫度。
這使得分子光譜的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)躍遷的測(cè)量非常精確。繼早期對(duì)波長(zhǎng)為230 μm和5.1 μm的光譜線的研究之后，作者現(xiàn)在在Nature Physics上發(fā)表了波長(zhǎng)短得多的1.1 μm光譜線的測(cè)量結(jié)果。
席勒教授說:“實(shí)驗(yàn)確定的躍遷頻率和理論預(yù)測(cè)一致。結(jié)合之前的結(jié)果，我們已經(jīng)建立了對(duì)帶電重子量子運(yùn)動(dòng)的最精確測(cè)試:任何與既定量子定律的偏差必須小于1000億分之一，如果它存在的話。”
這個(gè)結(jié)果也可以用另一種方式來解釋:假設(shè)，除了眾所周知的庫(kù)侖力(帶電粒子之間的力)之外，質(zhì)子和氘核之間還可能存在另一種基本力。主要作者Soroosh Alighanbari博士說:“這種假設(shè)的力可能與暗物質(zhì)現(xiàn)象有關(guān)。在我們的測(cè)量過程中，我們沒有發(fā)現(xiàn)任何證據(jù)表明存在這種力，但我們將繼續(xù)尋找?！?/span>
更多信息:S. Alighanbari et al .，帶電重子相互作用與分子氫離子高分辨率振動(dòng)光譜的測(cè)試，Nature Physics(2023)。DOI: 10.1038 / s41567 - 023 - 02088 - 2
期刊信息:自然物理
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