Une collaboration de recherche internationale dirigée par le scientifique VU Jeroen Koelemeij a développé une nouvelle méthode pour mesurer les fréquences vibrationnelles dans l'ion moléculaire d'hydrogène avec une précision quatre cent fois plus élevée qu'auparavant. Les résultats améliorent la compréhension des lois fondamentales de la physique et des particules telles que le proton, sujets qui ont récemment fait l'objet de débats. Les résultats de l'étude ont été publiés dans Science La semaine dernière.

La collaboration de recherche a étudié la fréquence vibratoire de la molécule la plus simple dans la nature, l'ion hydrogène moléculaire (HD+). Jeroen Koelemeij, auteur principal du rapport en Science , dit, "Cette fréquence dépend de deux aspects. Le premier est la masse des particules nucléaires - le proton et le deutéron - et la masse de l'électron. Pour ceux-là, nous utilisons des valeurs de référence obtenues avec des méthodes de mesure préexistantes. Cependant, celles-ci ont fait l'objet de débats car certaines valeurs très récentes se sont avérées en désaccord significatif avec les valeurs de référence plus anciennes. Le deuxième aspect est l'interaction entre les deux particules nucléaires et l'électron. Ceci peut être décrit en utilisant l'électrodynamique quantique, une théorie qui a prédit avec succès le comportement des électrons simples et de l'atome d'hydrogène (une particule nucléaire plus un électron), et qui est en excellent accord avec les observations expérimentales. La question est maintenant de savoir si l'électrodynamique quantique fonctionne aussi bien pour des systèmes plus complexes tels que des molécules. »

La théorie et l'expérience confirment des écarts antérieurs

La nouvelle méthode, développé par Koelemeij et ses collègues de LaserLaB Vrije Universiteit avec l'aide financière de l'organisation néerlandaise NWO, utilise un piège à ions à l'intérieur d'une chambre à vide. Environ 100 ions HD+ sont stockés dans ce piège, et refroidi à l'aide de lasers à un millième de degré au-dessus du zéro absolu (-273,15 degrés Celsius). Une vibration moléculaire très pure est ensuite excitée à l'aide d'autres lasers spécialement conçus, et sa fréquence mesurée.

La fréquence vibratoire mesurée expérimentalement est comparée à la valeur théorique telle que prédite par l'électrodynamique quantique, calculés par des physiciens français et russes. La théorie et l'expérience s'avèrent en accord, permettant ainsi aux chercheurs d'inférer le rapport de masse proton-électron, une grandeur largement utilisée en physique et en chimie, avec une précision sans précédent.

Koelemeij dit, « En plus d'être très précis, nos résultats confirment les récentes mesures déviantes de la masse et du rayon du proton. C'est la grande valeur de notre travail :il montre que les propriétés du proton, quand il est à l'intérieur d'une molécule, sont tout aussi «anormales» que celles trouvées récemment pour les protons simples et les protons à l'intérieur des atomes. L'origine de l'anomalie semble donc se trouver dans les mesures plus anciennes. Par ailleurs, l'accord entre la théorie et l'expérience annonce un autre triomphe pour l'électrodynamique quantique, ce qui s'avère valable pour les molécules, trop."

Cinquième force possible

Koelemeij pense que la nouvelle méthode pourrait conduire à plus d'informations :« La physique approche d'un tournant dans l'histoire. Au cours de la majeure partie du siècle dernier, les observations expérimentales et astronomiques pourraient toujours être expliquées par la théorie de la relativité d'Einstein, ou le modèle standard de la physique des particules et des champs. Mais au cours des quatre dernières décennies, De plus en plus de preuves suggèrent que 95% de notre univers est constitué de matière noire et d'énergie noire. Personne ne sait de quoi ils sont faits."

Il a été supposé que la matière noire et l'énergie sont liées à des particules encore inconnues et à des « cinquièmes forces » de la nature, ce qui pourrait également influencer les vibrations du HD+. Des études plus précises pourraient détecter cela comme un écart entre la théorie et l'expérience. Koelemeij dit, "Notre expérience actuelle n'a pas révélé un tel écart. Pourtant, nous pouvons utiliser nos résultats pour placer une limite supérieure plus stricte à la force de la force, et la masse de particules non découvertes."

Koelemeij et ses collègues envisagent des expériences plus précises :« C'est comme un jeu de Mastermind. Vous piquez les molécules avec une certaine couleur de lumière laser, et examinez les informations que les molécules vous renvoient. Ensuite, vous essayez à nouveau avec une autre couleur, et encore, jusqu'à ce que vous ayez collecté toutes les informations nécessaires pour briser le code de la nature."