O măsurare a nivelurilor de energie ale pozitroniului îi derutează pe oamenii de știință

Positroniul este în mod pozitiv derutant.

O nouă măsurătoare a „atomului” exotic – constând dintr-un electron și antiparticulă a acestuia, un pozitron – nu este de acord cu calculele teoretice, raportează oamenii de știință în 14 august. Scrisori de revizuire fizică. Și fizicienii nu pot explica asta.

Un defect fie în calcule, fie în experiment pare puțin probabil, spun cercetătorii. Iar fenomenele noi, cum ar fi particulele nedescoperite, nici nu oferă un răspuns ușor, adaugă fizicianul teoretician Jesús Pérez Ríos de la Institutul Fritz Haber al Societății Max Planck din Berlin. „În acest moment, cel mai bine vă pot spune este că nu știm”, spune Pérez Ríos, care nu a fost implicat în noua cercetare.

Positroniul este compus dintr-un electron, cu o sarcină negativă, care se învârte pe orbită cu un pozitron, cu o sarcină pozitivă – făcând ceea ce este efectiv un atom fără nucleu (SN: 9/12/07). Cu doar două particule și lipsit de complexitatea unui nucleu, pozitroniul este atrăgător de simplu. Simplitatea sa înseamnă că poate fi folosit pentru a testa cu precizie teoria electrodinamicii cuantice, care explică modul în care particulele încărcate electric interacționează.

O echipă de fizicieni de la University College London a măsurat separarea dintre două niveluri de energie specifice de pozitroniu, ceea ce este cunoscut sub numele de structura sa fină. Cercetătorii au format pozitroniul ciocnind un fascicul de pozitroni cu o țintă, unde s-au întâlnit cu electroni. După ce a manipulat atomii de pozitroniu cu un laser pentru a-i pune la nivelul de energie adecvat, echipa i-a lovit cu radiații de microunde pentru a-i determina pe unii dintre ei să sară la un alt nivel de energie.

Cercetătorii au indicat frecvența radiațiilor necesare pentru ca atomii să facă un salt, ceea ce este echivalent cu găsirea dimensiunii decalajului dintre nivelurile de energie. În timp ce frecvența prezisă din calcule a fost de aproximativ 18.498 megaherți, cercetătorii au măsurat aproximativ 18.501 megaherți, o diferență de aproximativ 0,02 la sută. Având în vedere că eroarea experimentală estimată a fost de numai aproximativ 0,003 la sută, aceasta este un decalaj mare.

Echipa a căutat probleme experimentale care ar putea explica rezultatul, dar a găsit gol. Acum sunt necesare experimente suplimentare pentru a ajuta la investigarea nepotrivirii, spune fizicianul Akira Ishida de la Universitatea din Tokyo, care nu a fost implicat în studiu. „Dacă există încă o discrepanță semnificativă după măsurători precise ulterioare, situația devine mult mai interesantă.”

Previziunea teoretică pare de asemenea solidă. În electrodinamica cuantică, a face predicții implică calcularea la un anumit nivel de precizie, lăsând deoparte termenii mai puțin semnificativi și mai dificil de calculat. Acești termeni suplimentari sunt de așteptat să fie prea mici pentru a explica discrepanța. Dar, „este de imaginat că ai putea fi surprins”, spune fizicianul teoretician Greg Adkins de la Franklin & Marshall College din Lancaster, Pa., care de asemenea nu este implicat în cercetare.

Dacă experimentele și calculele teoretice se verifică, discrepanța s-ar putea datora unei noi particule, dar și această explicație pare puțin probabilă. Efectele unei noi particule probabil ar fi apărut în experimentele anterioare. De exemplu, spune Pérez Ríos, nivelurile de energie ale pozitroniului ar putea fi afectate de o particulă ipotetică asemănătoare axionului. Aceasta este o particulă ușoară care are potențialul de a explica materia întunecată, un tip invizibil de materie despre care se crede că pătrunde în univers. Dar dacă acest tip de particulă ar fi cauzat această nepotrivire, cercetătorii ar fi observat și efectele sale în măsurătorile proprietăților magnetice ale electronului și ale vărului său mai greu, muonul.

Asta îi lasă pe oamenii de știință încă în căutarea unui răspuns, spune fizicianul David Cassidy, un coautor al studiului. „Va fi ceva surprinzător. Pur și simplu nu știu ce.”