Pour la première fois, une équipe de chercheurs sous la direction de TU Darmstadt a réussi à mesurer la transition entre les niveaux d'énergie des ions de type lithium du bismuth avec une telle précision qu'il est devenu possible de réévaluer les théories sous-jacentes. Cela a conduit à un résultat surprenant :la compréhension de l'interaction entre un électron et un noyau atomique que nous avons eue jusqu'à présent pourrait être erronée.

A la surface des noyaux des atomes de bismuth, il existe des champs magnétiques qui ne sont autrement présents qu'à la surface des étoiles à neutrons massives. Le comportement des électrons dans ces champs a été étudié par un groupe de chercheurs sous la direction de la Technische Universität Darmstadt. Ce n'est que récemment qu'ils ont réalisé une percée en observant pour la première fois une transition spéciale dans les ions de type lithium de cet élément.

Ils ont maintenant réussi à mesurer cette transition au GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung à Darmstadt avec une telle précision qu'il a été possible pour la première fois de réévaluer la théorie sous-jacente de manière convaincante. Dans le dernier numéro de la revue spécialisée Communication Nature , les scientifiques rendent compte de leur résultat surprenant :le décalage entre la théorie et l'expérience est frappant. Cela suggère une erreur dans notre compréhension de la façon dont un électron interagit avec la structure interne complexe d'un noyau.

Les atomes simples constitués d'un seul noyau et d'un ou de quelques électrons sont des systèmes idéaux pour vérifier notre compréhension des forces physiques sous-jacentes en jeu. Nous avons une meilleure compréhension de la théorie de la couche électronique de l'atome basée sur l'électrodynamique quantique (QED) que de la structure réelle du noyau atomique. La QED permet de calculer avec une grande précision les propriétés des électrons et les états dans lesquels l'atome peut exister. Ces calculs sont ensuite vérifiés au moyen de mesures de précision. À ce jour, QED a passé tous ces tests avec brio.

Lors de l'utilisation de noyaux lourds, les scientifiques s'intéressent principalement à l'influence des gigantesques champs électriques et magnétiques sur les électrons liés dans la coquille. Seules très peu de vérifications expérimentales de cette théorie ont été effectuées dans ces conditions extrêmes, et ils ne présentent pas – de loin – la même précision que les expériences réalisées avec des noyaux légers. Les champs forts rendent les calculs théoriques beaucoup plus difficiles. En outre, la structure interne complexe des noyaux n'est pas connue avec une précision suffisante bien qu'elle ait une forte influence sur la couche atomique.

Afin de contourner cette difficulté, les théoriciens calculent certaines différences pour des systèmes avec différents nombres d'électrons, mais avec le même noyau atomique. Ces soi-disant "différences spécifiques" sont de telle nature que les contributions de la structure du noyau devraient s'éliminer presque exactement et qu'elles peuvent être utilisées par les chercheurs comme point de départ pour vérifier les calculs QED avec plus de précision. Les résultats qui viennent d'être publiés, cependant, semblent remettre en cause le concept de différence spécifique.

Recherche à l'anneau de stockage ESR

Dans son expérience, l'équipe a d'abord généré des ions bismuth de type hydrogène et lithium. Ces ions ont été injectés dans l'anneau de stockage expérimental (ESR) de l'installation de l'accélérateur GSI qui a une circonférence de 108 m et est équipée de deux sections droites où des expériences peuvent être réalisées. Dans l'une de ces sections, un faisceau d'électrons d'énergie définie est superposé au faisceau d'ions. Après quelques secondes, la vitesse des ions s'ajuste à celle des électrons. Dans cette section, un faisceau laser pulsé est, en outre, superposée au faisceau d'ions. La longueur d'onde du laser est ensuite modifiée par petits incréments. Lorsque le laser atteint exactement la longueur d'onde de la transition de l'ion à étudier, les ions absorbent les particules lumineuses (photons) – et donc l'énergie – du faisceau laser. Les ions ainsi excités libèrent cette énergie après un court instant, émettant ainsi un très petit nombre de photons.

Ce petit nombre de photons a été efficacement détecté au moyen d'un miroir spécial et d'un système de détection de photons uniques développé à l'Université de Münster. En raison de la vitesse élevée, la longueur d'onde du laser est comprimée ou étirée d'un facteur d'environ 2,4, pour un laser à contre-propagation ou à copropagation, respectivement. Ce facteur dépend de la tension d'accélération des électrons. Pour mesurer cette haute tension d'environ 214, 000 volts avec une précision de l'ordre de 1 V, un diviseur haute tension développé chez PTB à Braunschweig a été utilisé. Les scientifiques de TU Darmstadt étaient responsables, entre autres pour l'acquisition de données et la synchronisation en fonction du temps des impulsions laser, qui ne durent que quelques milliardièmes de seconde (nanosecondes) avec la révolution des ions à l'intérieur de l'anneau de stockage. Ils ont également analysé les données.

La différence spécifique dans les longueurs d'onde de transition mesurées dans le bismuth de type hydrogène et de type lithium n'est pas en accord avec la prédiction théorique, même en tenant compte de toutes les sources connues d'erreurs systématiques. La cause de cet écart n'est pas encore connue et doit être étudiée dans le cadre de mesures ultérieures avec d'autres isotopes du bismuth. Ces isotopes sont, cependant, radioactifs et doivent donc être produits avant d'être injectés dans l'anneau de stockage. Ces possibilités sont disponibles au GSI Helmholtzzentrum. Le nouvel accélérateur, ÉQUITABLE, dont la construction à Darmstadt va bientôt commencer, offrira de nouvelles possibilités pour d'autres investigations sur ce sujet.